第七章 光电式传感器第七章 光电式传感器 7.1 7.1 光电效应光电效应 7.2 7.2 光电元件光电元件 7.3 7.3 光电传感器的应用光电传感器的应用

第七章 光电式传感器第七章 光电式传感器 光电传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信

号的装置。使用它测量非电量时，首先将这些非电物理量的变化转换成光信号的变化，再由光电传感器将光信号的变化转变为电信号的变化。光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。光电传感器是目前产量最多、应用最广的一种传感器，它在自动控制和非电量测试中占有非常重要的地位。

7.1 7.1 光电效应光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。自然界的一切物质在环境温度高

于 0K 以上时，都会产生光波辐射，光是波长约在 100 ～ 0.01μm 之间的电磁辐射，其光谱如图 7-1 所示。光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。所以，用光照射某一物体时，就可以看作这物体受到一连串能量为的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收光子能量为的光后产生的电效应。通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。

7.1 7.1 光电效应光电效应.

图 7-1 光谱范围

7.1 7.1 光电效应光电效应7.1.1 外光电效应 在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的

束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这种现象称为光电发射。

已知每个光子具有的能量为：

式中 h —— 普朗克常数 γ—— 光的频率 ( )

hv

)sJ(10626.6 34 h1s

7.1 7.1 光电效应光电效应 当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，

其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。根据能量守恒定律，可得

式中 A0 —— 电子逸出物体表面所需的功

m —— 电子的质量， v0 —— 电子逸出物体表面时的初速度

200 2

1mVAhv

kg10109.9 31m

(7.2)

7.1 7.1 光电效应光电效应 式（ 7.2 ）即为著名的爱因斯坦光电方程式，它阐明了光电效应的基

本规律。由上式可知：

（ 1 ）电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能量是否大于，而只与光的频率有关，因此电子能否逸出物体表面取决于光的频率，与光强无关，光强再大也不会产生光电发射。

（ 2 ）如果产生了光电发射，在入射光频率不变的情况下，逸出的电子数目与光强成正比。光强愈强意味着入射的光子数目愈多，受轰击逸出的电子数目也愈多。

基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

7.1 7.1 光电效应光电效应7.1.2 内光电效应 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体

内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

1．光电导效应 在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应，

简称光导效应。从半导体物理学可知，半导体材料导电能力的大小取决于半导体内载流子的数目，载流子数目愈多，导电愈容易，即半导体材料的电导率愈大。

7.1 7.1 光电效应光电效应 通常半导体原子中的价电子是处于稳定（束缚）状态的，当价电

子从外界获得足够能量后，就能从束缚状态变成自由状态，成为一个自由电子，同时在原来的位置上形成一个空穴，自由电子和空穴都能够参与导电，这样就增加了半导体材料的电导率。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 Eg，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。一般来说，照射的光线愈强，阻值变得愈低，半导体材料的导电能力愈强。光照停止后，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值又恢复到原值。

7.1 7.1 光电效应光电效应 具有光导效应的材料称为光导体，除金属外，大多数半导

体和绝缘体都具有光导效应，但都很小。实际上只有少数几种材料能制造光敏元件。

基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，以及由光敏电阻制成的光导管等。

2．光生伏特效应 在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象称为光

生伏特效应。光生伏特效应可分为两类：

7.1 7.1 光电效应光电效应（ 1 ）结光电效应。 以 PN结为例，当光照射 PN结时，若光子能量大于半导

体材料的禁带宽度 Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子—空穴对。在 PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向 P区的外侧，从而使 P区带正电， N区带负电，形成光电动势。

基于结光电效应的光电元件有光电池和光电晶体管等。

7.1 7.1 光电效应光电效应（ 2 ）侧向光电效应。 当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分吸收了能

量便产生自由电子—空穴对，光照部分的载流子浓度比未被光照部分的载流子浓度高，因此在半导体材料中就产生了浓度梯度，这样由光照部分和未被光照部分的载流子浓度的不同而产生了电动势，这种效应被称为侧向光电效应。

基于侧向光电效应的光电元件有位置光敏元件等。

7.27.2 光电元件光电元件7.2.1 光电管1．光电管的结构及工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类，二者结构相似，它们由一

个涂有光电材料的阴极 K 和一个阳极 A封装在玻璃壳内，如图 7-2（ a）所示。当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，由于阳极的电位高于阴极，在电场力的作用下，阳极便收集到由阴极发射出来的电子，因此，在光电管组成的回路中形成了光电流 I，并在负载电阻RL上输出电压UO。如图 7-2 （ b）所示。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压 UO与入射

光通量成正比。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-2 光电管的结构及工作原理

7.27.2 光电元件光电元件2．光电管的主要性能指标 光电管的性能指标主要有伏安特性、光照特性、

光谱特性、响应特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等。下面仅对其中的主要性能指标作一简单介绍。

（ 1 ）光电管的伏安特性 光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，

其阳极与阴极之间的电压UA 与光电流 I之间的关系。

7.27.2 光电元件光电元件 在一定光通量照射下，光电管阴极在单

位时间内发射一定数量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在阳极上施加电压，则光电子被阳极吸引而收集，形成回路中的光电流。

当阳极电压较小时，阴极发射的光电子只有一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。

7.27.2 光电元件光电元件 随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集

到的光电子数目增多，光电流 I也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，这种状态称为饱和状态，当达到饱和时，阳极电压再升高，光电流 I也不会增加。图 7-3 绘出了光电管在不同光通量下的伏安特性曲线。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-3 光电管的伏安特性

7.27.2 光电元件光电元件（ 2 ）光电管的光谱特性 光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其绝对灵敏度的关系。它主要取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管适用于不同的光谱范围，另一方面，不同光电管对于不同频率（即使光强度相同）的入射光，其灵敏度也不同，常用的光电阴极有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极等。

7.27.2 光电元件光电元件（ 3）光电管的光照（电）特性 光照（电）特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变

的条件下，入射光的光通量与光电流之间的关系，其特性曲线如图 7-4所示。在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和电流状态条件下，入射光通量和光电流呈线性关系。图 7-4中曲线 1 表示银氧铯光电管的光照特性，曲线 2 为锑铯阴极光电管的光照特性。光照特性曲线的斜率即光电流对入射光通量的变化率称为光电管的灵敏度。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-4 光电管的光照特性

7.27.2 光电元件光电元件7.2.2 光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，造成的测量误差将很大，甚至无法检测。为了提高光电管的灵敏度，在光电管的阴极和阳极之间安装一些倍增极，就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时，这种逸出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决于入射光粒子的数目，还与入射光粒子的速度、金属的性质等有关。

7.27.2 光电元件光电元件1．光电倍增管的结构和工作原理 光电倍增管由光阴极、次阴极（倍电极）以及阳极三部分组成，其结构如图 7-5（ a）所示。光阴极由半导体材料锑铯制成；次阴极是在镍或铜 -铍衬底上涂锑铯材料而形成的，通常为 12 ～14 级，多者达 30级；阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-5 光电倍增管的结构及电路

7.27.2 光电元件光电元件 使用光电倍增管时，在各个倍增电极上均加电压，阴极

电位最低，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的电子，在电场的加速下，打在电位比阴极高的第一倍增电极上，产生 3～ 6倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在比第一倍增电极电位高的第二倍增电极上，电子数目又增加 3～ 6倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的

7.27.2 光电元件光电元件 倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将到达阴极发射电 子数的 105~106

倍 . 从而在整个回路里形成光电流 IA ，见图 7-5（ b）所示。光电倍增管的放大倍数很高，一般可达 106，它的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍，因此，在很微弱的光照时，它能够产生很大的光电流。

7.27.2 光电元件光电元件2．光电倍增管的主要参数和特性（ 1 ）光电倍增管的倍增系数与工作电压的

关系 光电倍增管若倍增极的二次电子发射系

数为，则具有 n个相同倍增极的光电倍增管的倍增系数为

nM

7.27.2 光电元件光电元件因此阳极电流为

nKA II

式中， ——光阴极的光电流此光电倍增管的电流放大倍数为

KI

n

K

A I

I

7.27.2 光电元件光电元件 光电倍增系数与工作电压的关系是光电

倍增管的重要特性。随着工作电压的增加，倍增系数也相应增加，如图 7-6所示。一般在 105～ 106 之间，如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此， M具有一定的统计涨落。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-6 倍增系数与工作电压的关系

7.27.2 光电元件光电元件（ 2 ）光电倍增管的伏安特性 光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，它是指阴极与各倍增极之间电压保持恒定条件下，阳极电流 IA （光电流）与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系，典型光电倍增管伏安特性如图 7-7 所示。它是在不同光通量下的一组曲线族。象光电管一样，光电倍增管的伏安特性曲线也有饱和区，照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极电压越高，当阳极电压非常大时，由于阳极电位过高，使倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系数，因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有降。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-7 光电倍增管的伏安特性

7.27.2 光电元件光电元件（ 3）光电倍增管的光电特性 光电倍增管的光电特性是指阳极电流（光电流）与光

电阴极接收到的光通量之间的关系 . 典型光电倍增管的光电特性如图 7-8所示。图中当光通

量 φ在 10-13～ 10-4lm （流明）之间，光电特性曲线具有较好的线性关系，当光通量超过 10-4lm 时曲线就明显向下弯曲，其主要原因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳，灵敏度下降，因此，使用时光电流不要超过 1毫安。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-8 光电倍增管的光电特性

7.27.2 光电元件光电元件（ 4）光电倍增管的暗电流 光电倍增管暗电流的定义和产生的原因与光电管一样，

只是多了倍增极二次发射的影响。光电倍增管中光电阴极和各倍增极都有热电子发射，由于光电倍增管中电流是逐级倍增的，所以在热电子发射中，光电阴极和第一倍增极的热电子发射是主要的。为了减少由管座各极之间漏电流形成的暗电流，有时将阳极单独引出来，此外，管内电子将残余气体和铯原子电离，正离子将奔向阴极并轰击产生二次电子发射，这些电子再经倍增极放大输出，增加了暗电流。

总之，影响暗电流的因素很多。在实际应用中要具体问题，分别处理，以达到实用要求。

7.27.2 光电元件光电元件7.2.3光敏电阻1．光敏电阻的结构和工作原理 光敏电阻是利用光导材料的内光电效应制成的没有极性的电阻器件。

结构 : 光敏电阻的结构比较简单，如图 7-9（ a）所

示。它是在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后将它们压入塑料封装体内 . 为了防止周围介质的污染，

7.27.2 光电元件光电元件.

(a) (b)

图 7-9 光敏电阻的结构和原理

7.27.2 光电元件光电元件 在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择

应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，光照就能改变电路中电流的大小。工作原理 : 光敏电阻既可在直流电压下工作，也可在交流电压下工作。如图 7-9（ b）所示为光敏电阻在直流电路中的工作情况，具体如下 :

7.27.2 光电元件光电元件(1) 当无光照时，虽然不同的材料光敏电阻的数据

不大相同，但它们的阻值一般可在 1 ～ 100MΩ之间，由于其阻值 太大，使得流过电路中的电流很小；

(2) 当有光照射时，光敏电阻的阻值变小，电路中的电流增大。根据电路中电流的变化值，便可测出照射光线的强弱。当光照停止时，光电效应自动消失，电阻又恢复到原值

7.27.2 光电元件光电元件说明 : 光敏电阻灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性能

高、体积小以及制造工艺简单，所以，被广泛地应用于照相机、防盗报警器、火灾报警器以及自动化控制技术中。

2．光敏电阻的技术特性和主要参数（ 1 ）暗电阻、暗电流 将光敏电阻置于室温、无光照射的全暗条件下，经过一定稳定时间之后，测得的阻值称为暗电阻。此时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流称为暗电流。

7.27.2 光电元件光电元件（ 2 ）亮电阻、光电流 光敏电阻在受到光照射时，测得的电阻值称为亮电阻。这时在给定工作电下测得光敏电阻中的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光敏电阻的光电流。

实用中光敏电阻的暗电阻值一般在 1 ～ 100MΩ之间，而亮电阻通常在几 kΩ以下。暗电阻与亮电阻之差越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。

7.27.2 光电元件光电元件（ 3）光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流 I

（ μA ）与照射光通量 φ的关系，称为光电特性，如图 7-10 所示。不同材料的光敏电阻其光电特性是不同的，绝大多数光敏电阻的光电特性是非线性的，当光照强度较大时有饱和趋向，因此，光敏电阻不宜作测量元件，只能作光电导开关元件使用。

7.27.2 光电元件光电元件（ 4）光谱特性 每种半导体材料的内光电效应对入射光的光谱

都具有选择作用，因此，不同材料制成的光敏电阻都有自己的光谱特性，即每种光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而且对应最大灵敏度的光波长也不同，图 7-11给出了硫化镉等材料的光敏电阻的光谱特性。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7.10 硒光敏电阻的光电特性 图 7.11 光敏电阻的光谱特性

7.27.2 光电元件光电元件（ 5）伏安特性 伏安特性是指在恒定光通量照射下，光敏电阻的电压

与光电流之间的关系，如图 7-12 所示是硫化镉光敏电阻的伏安特性。由图看出，光敏电阻的电压与电流之间的关系服从欧姆定律，但在不同照度下，曲线的斜率是不同的，这表明光敏电阻的阻值是随光照度的变化而变化的。 同一般电阻一样，光敏电阻两端的电压有个限制，电压过高会失去线性关系，此外，光敏电阻也有最大额定功率（耗散功率）的限制，超过最高工作电压和最大工作电流都能导致光敏电阻永久性的破坏。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-12 硫化镉光敏电阻的伏安特性 图 7-13 光敏电阻的频率特性

7.27.2 光电元件光电元件6）频率特性 这里所说的频率不是入射光的频率，而是指入

射光强度变化的频率。当光敏电阻受到脉冲光的作用时，光电流并不立即上升到稳态值，这个上升过程要经历一段时间，同样，光照停止后光电流也不立刻从稳态值下降到暗电流，也需要一段时间。这表明，光敏电阻中光电流随光强度的变化具有一定的惯性，通常用时间常数 τ表示。

7.27.2 光电元件光电元件 若入射光照射时间较短，光电流还未上升到稳态值，入

射光就消失了，光敏电阻来不及作出应有的反映，光电流就降低了，灵敏度当然也要降低，所以，随着入射光强度变化的加快，即频率的增加，光敏电阻灵敏度随着降低。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，即响应的快慢不同，图7-13给出了几种光敏电阻的频率特性。其中硫化铅光敏电阻有较好的频率特性，即它对光强的变化反应快，动态特性好。光敏电阻的响应时间还与光强有关，光强越大，响应时间越短。

7.27.2 光电元件光电元件 总之，光敏电阻的惯性比较大，如铊氧硫光敏电阻的灵敏度在 100HZ时已经比恒光通量下的灵敏度下降了 1/2 ～ 2/3，硫化铅光敏电阻的灵敏度一直到 5000HZ几乎不变，但与光电管相比还是比较差的，因此，尽管光敏电阻灵敏度比光电管高得多，但在许多地方仍然选用光电管。

7.27.2 光电元件光电元件（ 7 ） 温度特性 光敏电阻与其它半导体器件一样，它的特性受

温度的影响较大。温度升高将导致光敏电阻的暗电阻值变小，灵敏度下降。其光谱特性也向短波方向移动，硫化铅光敏电阻光谱温度特性曲线如图 7-14所示。温度特性可用温度系数来表示，温度系数越小越好。

表 7-1列出了几种国产光敏电阻的参数，使用时，仅供参考。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-14 硫化铅光敏电阻光谱温度特性曲线

7.27.2 光电元件光电元件. 表 7-1 几种国产光敏电阻参数

7.27.2 光电元件光电元件7.2.4光电二极管和光电三极管1．光电二极管 (1) 光电二极管的结构和工作原理 结构 : 光电二极管的材料和结构与普通二极管类似。它的 管芯

是一个具有光敏特性的 PN结，封装在透明玻璃壳内。 PN结装在管子的顶部，并有一个透明窗口，可使入射光集中照射在 PN结的敏感面上。

7.27.2 光电元件光电元件工作原理 : 光电二极管在电路中一般处于反向工作状态，光电二极管的结构和电路连接如图 7-15所示。当无光照时光电二极管的反向电阻很大，电路中只有很小的反向电流（称为暗电流），一般为 10-8～ 10-9A ，此时相当于光电二极管截止；当有光照时， PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量，产生电子—空穴对，并在 PN结所形成的内电场作用下作定向运动而形成光电流，光照强度越大，光电流就越大，故光电二极管不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光电流流过负载电阻RL时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号，光电二极管就是这样完成光电功能转换的。

7.27.2 光电元件光电元件.

图 7-15 光敏二极管的结构及电路

7.27.2 光电元件光电元件（ 2 ）光电二极管的主要技术参数（ a）最高反向工作电压 是指光电二极管在无光照条件下，

反向漏电流不大于 0.1μA 时所能承受的最高反向电压值。（ b）暗电流 指光电二极管在无光照、最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光电二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。一般锗光电二极管的暗电流较大，约为几个 μA ，硅光电二极管的暗电流则小于 0.1μA 。

（ c） 光电流 指光电二极管受一定光照，在最高反向电压下产生的电流，其值越大越好。

7.27.2 光电元件光电元件（ d） 灵敏度 反映光电二极管对光的敏感程度的一个参数，

通常用在每微瓦的入射光能量下而产生的光电流来表示。其值越高，说明光电二极管对光的反应越灵敏。

（ e）响应时间 表示光电二极管将光信号转换成电信号所需的时间。响应时间越短， 说明其光电转换的速度越快，即工作频率就越高。

除此之外，光电二极管的参数还有结电容、正向压降、光谱范围和峰值波长等。本书从略，请参阅有关资料。

7.27.2 光电元件光电元件2．光电三极管（ 1 ）三极管的结构和工作原理

图 7-16 光电三极管的结构及应用电路

工作原理 : 将光电三极管接在如图 7-16（ b）所示的电路

中，在正常情况下，集电结为受光结（相当于一个二极管）。集电极相对于发射极为正电压，而基极开路，则集电结处于反向偏置。

无光照射时，在外电路中有暗电流（此电流即

为光电三极管集电极与发射级之间的穿透电流）

cboceo )1( II

当光照射在光敏面（集电结）上时，光照激发产生的光生电子—空穴对增加了少数载流子的浓度，由于集电结处于反向偏置，使内电场增强。在内电场的作用下，光生电子漂移到集电区，在基区留下空穴，使基极电位升高，促使发射区有大量电子经基区被集电区收集而形成放大的集电极光电流 .

SC II

（ 2 ）光电三极管的基本特性（ a）光谱特性

图 7-17 光电三极管光谱特性

（ b）伏安特性

图 7-18 光电三极管伏安特性

（ c）光电特性

图 7-19 光电三极管光电特性

（ d）温度特性

图 7-20 光电三极管的温度特性

（ e）时间常数 光电三极管由于存在发射结电容，加之载流子通过面积较大的基区时间较长，因此，它的时间常数比光电二极管要长，一般在 10-5～ 10-4（ s）之间。

（ f）频率特性 指在恒定电压和光强幅度恒定条件下，

入射光强度变化的频率与光电流（或相对灵敏度）的关系 .

图 7-21 频率特性

7.2.57.2.5 光电池光电池 光电池是在光照下，能直接将光通量转

变为电动势的一种光电元件。在光照作用下，光电池实质上就是一个电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、氧化铊光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池和硒光电池，下面着重以这两种光电池为例加以介绍。

1．光电池的结构与工作原理

图 7-22 光电池结构示意图

原理 : 当入射光子的能量足够大时， P区每吸收一个

光子就产生一对光生电子—空穴对，在表面对光子的吸收最多，激发出的电子—空穴对也最多，越向内部越小，因此，光生电子—空穴对的浓度由表面向内部迅速下降，形成由表及里扩散的自然趋势。在 PN结内电场的作用下，使扩散到 PN结附近的电子—空穴对分离，电子被拉到 N型区，空穴则留在 P型区，使 N区带负电， P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，新的平衡状态建立后， PN结两侧就有一个稳定的光电流或光生电动势输出。

2．光电池的主要特性（ 1 ） 光谱特性

图 7-23 硒和硅光电池的光谱特性

（ 2 ）光电池的频率特性 由于光电池受光照射产生电子—空穴对，光照 消失后电子—空穴对的复合，都需要一定的时间，

因此，当入射光的调制频率太高时，光电池输出的光电流将下降。图 7-24示出光的调制频率 f和光电池相对输出电流 I关系曲线。由图可看出，硅光电池具有较高的频率响应，硅光电池的工作频率上限约为数十 kHZ，而硒光电池的频率特性较差，上限频率只有几 kHZ。

图 7-24 光电池的频率特性

（ 3） 光电池的伏安特性

图 7-25 硅光电池的伏安特性

（ 4）光电池的光电特性

图 7-26 硅光电池的光电特性

（ 5）硅光电池的温度特性

图 7-27 硅光电池的温度特性

7.2.57.2.5 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器件是将发光元件与受光器件组合在同一个密封体内的组合器件，即将发光元件、受光器件及信号处理电路集成在一块芯片上。工作时，将信号加到输入端，使发光元件发光，照射到受光器件使之输出光电流，从而实现电—光—电两次转换，通过光实现了输入端和输出端之间的耦合。

由于光电耦合器件是以光为传输信号的媒介，因此，它具有下列特点：

• （ 1 ）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，因而，保证了输入端和输出端之间的隔离，使输入端和输出端之间的绝缘电阻很高，一般都大于，耐压也很高，具有良好的隔离性。

• （ 2 ）具有信号的单向传输和不可逆性。信号只能从发光源单向传输到受光器件，而不会可逆传输，传输信号不会影响输入端。

• （ 3）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低电阻的特点，可以抑制干扰，消除噪声。

• （ 4）响应速度快，可用于高频电路。• （ 5）结构简单，无触点，体积小，寿命长。• 由于上述特点，光电耦合器件广泛用于电路隔离、电平转

换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。

图 7-28为 4N28光电耦合器件的外型结构和常用符号，它的外型结构为双列直插式，其中 3脚为空脚， 6脚为三极管的基极引线，但在实际应用中很少使用。表 7-3为 4N28光电耦合器件的主要技术数据。

图 7-28 4N28光电耦合器

7.3 7.3 光电传感器的应用光电传感器的应用7.3.1 灯光亮度自动控制器

图 7-29 灯光亮度自动控制器原理图

灯光亮度自动控制器的电路框图如图 7-29所示。它主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零比较器、锯齿波形发生器、双向晶闸管等组成。过零比较器对 50Hz 市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波发生器使其产生与市电同步的锯齿波电压，加在比较器的同相输入端。由光敏电阻与电阻构成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成比例的变化。上述两个电压经比较器比较后，由比较器输出端得到脉冲宽度随环境光照度变化而变化的与市电频率不同步的控制信号，利用这个控制信号（其脉冲宽度反比于环境光照度）触发晶闸管，改变晶闸管的导通角，便可使灯光的亮度随光照度作相反的变化，从而达到按照环境光照度自动调节照明灯亮度的目的，使室内照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。

7.3.2 工件计数装置

图 7-30 工件计数装置

7.3.3 邮政信函过戳装置

图 7-31 邮政信函过戳装置

邮政信函过戳装置是利用光敏三极管控制过戳机构的通断来自动实现信函过戳，其电路原理图如图 7-31 所示。当信函未到来时，光源的光线照在光电三极管上，光电流增大，使三极管 VT1导通饱和，三极管 VT2截止，继电器释放，过戳机构不动作。当信函到来把光线挡住，光电三极管的电流为暗电流，由于暗电流很小，使三极管 VT1截止，三极管 VT2导通，继电器吸合使常开触点闭合，过戳机构动作。所以每当信函来到，均把继电器吸合使信函过戳。

7.3.4 条形码扫描笔

图 7.33 扫描笔输出序列 图 7.32 条形码扫描笔结构

7.3.5光电池测速装置

工程中常用两个间隔一定距离的传感器进行非接触式测量运动物体的速度，图 7-34是非接触测定轧钢带运动速度的示意图。，钢带的运动速度为

D/Dv

图 7-34 光电池测速装置

7.3.6 主回路与控制回路的隔离电路

图 7-35 主回路与控制回路的隔离电路

利用光电耦合器可以实现主回路与控制回路的隔离，电路如图 7-35所示。被控制的回路接 220V 交流电，而主回路是电源电压很低的直流控制电路。在使用中，为了防止被控回路对控制回路的影响，两种电路的电源及信号要求隔离。由图 7-35可知，当三极管 VT 截止时，光电耦合器不导通，因没有通路，灯不亮，而当三极管 VT饱和时，光电耦合器中发光二极管发光，使光敏三极管导通，给晶闸管一个触发信号致使其电路导通， L灯亮。

本 章 小 结本 章 小 结 本章首先介绍了光电效应（外光电效应、

内光电效应及光生伏特效应），在此基础上相继讨论了光电管、光电倍增管、光电二极管、光电三极管、光电池、光电耦合器等光电器件的原理、特性和应用。

思考与练习思考与练习• 1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。与之对应的光电器件有哪些？

• 2．半导体内光电效应与光强和频率的关系是什么？• 3 ．试述光敏电阻可用哪些参数和特性来表示它的性能？• 4 ．试述用光敏电阻检测光的原理？• 5 ．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管间的联系？

• 6 ．简述光敏三极管有哪些基本特性？• 7．光敏电阻和光敏三极管伏安特性的特点是什么？• 8 ．简述硅光电池温度特性的特点。• 9 ．简述光电耦合器的工作原理。• 10．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理

的分析。