第四章 光电式传感器
第一节 概述
第二节 外光电效应器件
第三节 内光电效应器件
第四节 新型光电传感器
第五节 光敏传感器的应用举例
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转
换的关键元件, 它是把 光信号 （ 红外, 可见及
紫外光辐射 ） 转变成为电信号的器件 。
一, 光谱
光波,波长为 10— 106nm的电磁波
可见光,波长 380— 780nm
紫外线,波长 10— 380nm,
波长 300— 380nm称为近紫外线
波长 200— 300nm称为远紫外线
波长 10— 200nm称为极远紫外线,
红外线,波长 780— 106nm
波长 3μm（即 3000nm）以下的称近红外线
波长超过 3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
第一节 概 述
远
紫
外
近
紫
外
可见光 近红外 远红外 极远紫外
0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5
波长 /μ m
波数 /cm-1
频率 /Hz
光子能量 /eV
106 105 104 103 5× 105 5× 104 5× 103
1015 5× 1014 1014 5× 1013
100 10 1 50 5 0.5
5× 1015 1016 3× 1018
光的波长与频率的关系由光速确定, 真空中的光速
c=2.99793× 1010cm/s,通常 c≈3× 1010cm/s。 光的波长
λ和频率 ν的关系为
ν的单位为 Hz,λ的单位为 cm。
νλ=3× 1010cm / s
二, 光源 （ 发光器件 ）
1,钨丝白炽灯
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通, 一般白炽
灯的辐射光谱是 连续的
发光范围,可见光外, 大量红外线和紫外线, 所以任何
光敏元件都能和它配合接收到光信号 。
特点,寿命短而且发热大, 效率低, 动态特性差, 但对
接收光敏元件的光谱特性要求不高, 是可取之处 。
在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘
钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。
2,气体放电灯
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯 。
气体放电灯的光谱是 不连续 的, 光谱与气体的种类及
放电条件有关 。 改变气体的成分, 压力, 阴极材料和
放电电流大小, 可得到主要在某一光谱范围的辐射 。
低压汞灯, 氢灯, 钠灯, 镉灯, 氦灯是光谱仪器
中常用的光源, 统称为光谱灯 。 例如低压汞灯的辐射
波长为 254nm,钠灯的辐射波长为 589nm,它们经常用
作光电检测仪器的 单色光源 。 如果光谱灯涂以荧光剂,
由于光线与涂层材料的作用, 荧光剂可以将气体放电
谱线转化为更长的波长, 目前荧光剂的选择范围很广,
通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的
波长, 如, 照明日光灯 。
气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯 1/2— 1/3。
3,发光二极管 LED（ Light Emitting Diode）
由半导体 PN结构成, 其工作电压低, 响应速度快, 寿
命长, 体积小, 重量轻, 因此获得了广泛的应用 。
在半导体 PN结中,P区的空穴由于扩散而移动到 N
区,N区的电子则扩散到 P区，在 PN结处形成势垒，从
而抑制了空穴和电子的继续扩散。当 PN结上加有正向
电压时，势垒降低，电子由 N区注入到 P区，空穴则由 P
区注入到 N区，称为少数载流子注入。所注入到 P区里
的电子和 P区里的空穴复合，注入到 N区里的空穴和 N区
里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能
量，因而有发光现象。
电子和空穴复合, 所释放的能量 Eg等于 PN结的禁
带宽度 （ 即能量间隙 ） 。 所放出的光子能量用 hν表示,
h为普朗克常数, ν为光的频率 。 则
gE
hc??
gE
ch ?
?
gEh ??
普朗克常数 h=6.6╳ 10-34J.s；光速 c=3╳ 108m/s；
Eg的单位为电子伏（ eV）,1eV=1.6╳ 10-19J。
hc=19.8× 10-26m?W?s=12.4× 10-7m?eV。
可见光的波长 λ近似地认为在 7× 10-7m以下，所以制
作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于
h c /λ=1.8 eV
普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽
度 Eg分别为 0.67eV和 1.12eV，显然不能使用。
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体, 写作
GaAs1-xPx,x代表磷化镓的比例, 当 x＞ 0.35时, 可得
到 Eg≥1.8eV的材料 。 改变 x值还可以决定发光波长, 使
λ在 550～ 900nm间变化, 它已经进入红外区 。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表 。
材料 波长 /nm
材料
波长 /nm
ZnS 340
CuSe-ZnSe
400～ 630
SiC 480
ZnxCd1-xTe
590～ 830
GaP 565,680
GaAs1-xPx
550～ 900
GaAs
900
InPxAs1-x
910～ 3150
InP
920
InxGa1-xAs
850～ 1350
表 4.1-1 LED材料
发光二极管的 伏安特性 与普通二极管相似, 但随
材料禁带宽度的不同, 开启 （ 点燃 ） 电压略有差异 。
图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线, 红色约为 1.7V
开启, 绿色约为 2.2V。
U/V
I/mA
注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般
而言，发光二极管的反向击穿电压大于 5V，为了安全
起见，使用时反向电压应在 5V以下。
-10
-5 0 1 2
GaAsP(红 )
GaAsP(绿 )
发光二极管的 光谱特性 如图所示 。 图中砷磷化镓的
曲线有两根, 这是因为其材质成分稍有差异而得到不同
的峰值波长 λp 。 除峰值波长 λp决定发光颜色之外, 峰的
宽度 （ 用 Δλ描述 ） 决定光的色彩纯度, Δλ越小, 其光色
越纯 。
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 600 700 800 900 1000
GaAsP
λ p=670nm
λ p=655nm
GaAsP
λ p=565nm GaP
λ p=950nm
GaAs
发光二极管的光谱特性 λ/nm
相
对
灵
敏
度
4,激光器
激光是 20世纪 60年代出现的最重大科技成就之
一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重
要特性。激光波长从 0.24μm到远红外整个光频
波段范围。
激光器种类 繁多, 按工作物质分类,
?固体 激光器 （ 如红宝石激光器 ）
?气体 激光器 （ 如氦 -氖气体激光器, 二氧化碳
激光器 ）
?半导体 激光器 （ 如砷化镓激光器 ）
?液体 激光器 。
（ 1） 固体激光器
典型实例是 红宝石 激光器，是 1960年人类发明
的 第一台激光器 。它的工作物质是固体。
种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器
（简称 YAG激光器）和钕玻璃激光器等。
特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目
前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。
固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应
用。 利用阿波罗登月留下的反射镜,红宝石激光器
还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
（ 2） 气体激光器
工作物质是气体。
种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子
激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、
氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子
激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连
续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外
到远红外的频谱区域 。
（ 3） 半导体激光器
与前两种相比出现较晚, 其成熟产品是砷化镓
激光器 。 特点：效率高, 体积小, 重量轻, 结
构简单, 适宜在飞机, 军舰, 坦克上应用以及
步兵随身携带, 如在飞机上作测距仪来瞄准敌
机 。 其缺点是输出功率较小 。 目前半导体激光
器可选择的波长主要局限在红光和红外区域 。
（ 4）液体激光器
种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染
料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。
它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内
调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他
激光器不能起的作用。
三, 光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能
量, 从而产生的电效应 。 光电传感器的工作原理基于
光电效应 。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两
大类
1,外光电效应
在光线的作用下, 物体内的电子逸出物体表面向外
发射的现象 称为外光电效应 。 向外发射的电子叫做光
电子 。 基于外光电效应的光电器件有光电管, 光电倍
增管等 。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量,
E=hν
h— 普朗克常数,6.626× 10-34J·s； ν— 光的频率（ s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子
的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必
须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过
部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应
多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金
属释放电子所需时间不超过 10-9s。
根据能量守恒定理
式中 m— 电子质量； v0— 电子逸出速度。
0
2
02
1
Amh ?? ??
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
?光电子能否产生, 取决于光电子的能量是否大于该物
体的表面电子逸出功 A0。 不同的物质具有不同的逸出功,
即每一个物体都有一个对应的光频阈值, 称为红限频率
或波长限 。 光线频率低于红限频率, 光子能量不足以使
物体内的电子逸出, 因而小于红限频率的入射光, 光强
再大也不会产生光电子发射；反之, 入射光频率高于红
限频率, 即使光线微弱, 也会有光电子射出 。
?当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成
正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的
电子数也就越多。
?光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2,因此外光
电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有
光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，
而且截止电压与入射光的频率成正比。
当光照射在物体上，使物体的电阻率 ρ发生
变化，或产生光生电动势的现象 叫做内光电效应，
它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内
光电效应分为 光电导效应 和 光生伏特效应 两类,
（ 1） 光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态
过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这
种现象被称为光电导效应 。基于这种效应的光电
器件有光敏电阻。
2、内光电效应
过程,当光照射到半导体材料上时, 价带中的电子受
到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击, 并使其由价
带越过禁带跃入导带, 如图, 使材料中导带内的电子
和价带内的空穴浓度增加, 从而使电导率变大 。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光
电导材料，总存在一个照射光波长限 λ0，只有
波长小于 λ0的光照射在光电导体上，才能产生
电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率
增加。
式中 ν,λ分别为入射光的频率和波长。
Eg24.1 ???
??
? hch
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导
材料的禁带宽度 Eg，即
（ 2） 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的
电动势的现象叫做光生伏特效应 。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管,
三极管 。
① 势垒效应 （ 结光电效应 ） 。
接触的半导体和 PN结中，当光线照射其接
触区域时，便引起光电动势,这就是结光电效应。
以 PN结为例，光线照射 PN结时，设光子能量大于禁
带宽度 Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子
空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子
移向 N区外侧，被光激发的空穴移向 P区外侧，从而
使 P区带正电,N区带负电，形成光电动势。
② 侧向光电效应 。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载
流子浓度梯度将会产生侧向光电效应 。当光照
部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，
光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子
浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流
子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么
空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩
散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射
部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光
电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电
位置敏感器件（ PSD）。
利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制
成的光电器件,一般都是真空的或充气的光电器件，
如光电管和光电倍增管。
一、光电管及其基本特性
光电管的结构示意图
光
阳极
光电阴极 光窗
1,结构与工作原理
光电管有真空光电管和充气
光电管或称电子光电管和离子光
电管两类。两者结构相似，如图。
它们由一个阴极和一个阳极构成，
并且密封在一只真空玻璃管内。
阴极装在玻璃管内壁上，其上涂
有光电发射材料。阳极通常用金
属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻
璃管的中央。
第二节 外光电效应器件
光电器件的性能主要由伏安特性, 光照特性, 光谱
特性, 响应时间, 峰值探测率和温度特性来描述 。
（ 1） 光电管的伏安特性
2,主要性能
在一定的光照射
下, 对光电器件的阴
极所加电压与阳极所
产生的电流之间的关
系称为光电管的伏安
特性 。 光电管的伏安
特性如图所示 。 它是
应用光电传感器参数
的主要依据 。
图 4.2-2 光电管的伏安特性
50
20μlm
40μlm
60μlm
80μlm
100μlm
120μlm
100
150
200
0
2
4
6
8
10
12
阳极与末级倍增极间的电压 /V
IA/ μA
（ 2） 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定
时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。
其特性曲线如图所示。曲线 1表示 氧铯阴极 光电
管的光照特性，光电
流 I与光通量成线性关
系。曲线 2为 锑铯阴极
的光电管光照特性，
它成非线性关系。光
照特性曲线的斜率
（光电流与入射光光
通量之间比）称为光
电管的灵敏度。
光电管的光照特性
25
50
75
100
2
0 0.5 1.5 2.0 Φ/1m
IA/ μA
1.0 2.5
1
（ 3） 光电管光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管
对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不
变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的
光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，
它们有不同的红限频率 υ0，因此它们可用于不同的光
谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频
率高于红限频率 υ0，并且强度相同，随着入射光频率
的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一
光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电
管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应
选用不同材料的光电阴极。
国产 GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。
其红限 λ0=7000?，它对可见光范围的入射光灵敏度比较
高，转换效率,25%~30%。它适用于 白光光源,因而被
广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对 红外光源,
常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对 紫外光源,常用
锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围
较宽，为 3000~8500?，灵敏度也较高，与人的视觉光谱
特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管
的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测
量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任
的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。
一般充气光电管当入射光频率大于 8000Hz时，光电
流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。
二、光电倍增管及其基本特性
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 μA,很不容易探测 。 这时常用光电倍增管对
电流进行放大, 下图为其内部结构示意图 。
1,结构和工作原理
由 光阴极, 次阴极 (倍增电极 )以及 阳极 三部分组成 。 光阴极是由半
导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯
材料而形成的, 次阴极多的可达 30级；阳极是最后用来收集电子
入射光
光电阴极
第一倍增极
阳极
第三倍增极
的，收集到的电子数是阴极
发射电子数的 105~106倍。即
光电倍增管的放大倍数可达
几万倍到几百万倍。光电倍
增管的灵敏度就比普通光电
管高几万倍到几百万倍。因
此在很微弱的光照时，它就
能产生很大的光电流。
（ 1） 倍增系数 M 倍增系数 M等于 n个倍增电极的二
次电子发射系数 δ的乘积 。 如果 n个倍增电极的 δ都相同,
则 M= 因此, 阳极电流 I 为
I = i · i — 光电阴极的光电流
光电倍增管的电流放大倍数 β为
β= I / i =
M与所加电压有关,M在 105~108之间，稳定性为 1％左
右，加速电压稳定性要在 0.1％以内。如果有波动，倍
增系数也要波动，因此 M具有一定的统计涨落。一般
阳极和阴极之间的电压为 1000~2500V，两个相邻的倍
增电极的电位差为 50~100V。对所加电压越稳越好，这
样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。
2,主要参数
n
i?
n
i?
n
i?
103
104
105
106
25 50
75
100
125
极间电压 /V
放大倍数
光电倍增管的特性曲线
（ 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数
叫做光电倍增管的 阴极灵敏度 。而一个光子在
阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的 总
灵敏度 。
光电倍增管的最大灵敏度可达 10A/lm，极
间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能
太高，太高反而会使阳极电流不稳。
另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所
以不能受强光照射，否则将会损坏。
（ 3） 暗电流和本底脉冲
一般在使用光电倍增管时, 必须把管子放
在暗室里避光使用, 使其只对入射光起作用；
但是由于环境温度, 热辐射和其它因素的影响,
即使没有光信号输入, 加上电压后阳极仍有电
流, 这种电流称为 暗电流, 这是热发射所致或
场致发射造成的, 这种暗电流通常可以用补偿
电路消除 。
如果光电倍增管与闪烁体放在一处, 在完全蔽
光情况下, 出现的电流称为 本底电流, 其值大
于暗电流 。 增加的部分是宇宙射线对闪烁体的
照射而使其激发, 被激发的闪烁体照射在光电
倍增管上而造成的, 本底电流 具有 脉冲形式 。
光电
倍增
管的
光照
特性
与直线最大
偏离是 3%
10－ 13
10－ 10
10－ 9
10－ 7
10－ 5
10－ 3
10－ 1
在 45mA
处饱和
10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2
光通量 /1m
阳
极
电
流
/ A
（ 4） 光电倍增管的光谱特性
光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射
在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的
管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，
即入射光通量小于 10-4lm时，有较好的线性关系。光通
量大，开始出现非线性，如图所示。
利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动
势的光电器件 称 内光电效应器件，常见的有 光敏
电阻光电池和光敏晶体管等。
一、光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工
作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而
减小。
优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重
量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能
力强和寿命长等。
不足：需要外部电源，有电流时会发热。
第三节 内光电效应器件
1,光敏电阻的工作原理和结构
当光照射到光电导体上时, 若光电导体为本征半导
体材料, 而且光辐射能量又足够强, 光导材料价带上的
电子将激发到导带上去, 从而使导带的电子和价带的空
穴增加, 致使光导体的电导率变大 。 为实现能级的跃迁,
入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度 Eg,即
hν= = ≥Eg(eV)
式中 ν和 λ— 入射光的频率和波长 。
一种光电导体, 存在一个照射光的波长限 λC,只有
波长小于 λC的光照射在光电导体上, 才能产生电子在能
级间的跃迁, 从而使光电导体电导率增加 。
?
ch ?
?
24.1
光敏电阻的结构如图所示 。 管芯是一块安装在绝缘
衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 。 光导体吸收
光子而产生的光电效应, 只限于光照的表面薄层, 虽然
产生的载流子也有少数扩散到内部去, 但扩散深度有
A
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
光导电材料
绝缘衬低
引线
电极
引线
光电导体
限, 因此光电导体一
般都做成薄层 。 为了
获得高的灵敏度, 光
敏电阻的电极一般采
用硫状图案, 结构 见
下图 。
1--光导层 ;
2--玻璃窗口 ;
3--金属外壳 ;
4--电极 ;
5--陶瓷基座 ;
6--黑色绝缘玻璃 ;
7--电阻引线 。
RG
1 2 3
4
5
6
7
(a)结构 (b)电极 (c)符号
它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或
铟等金属形成的 。 这种硫状电极, 由于在间距
很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积, 所
以提高了光敏电阻的灵敏度 。 图 （ c） 是光敏电
阻的代表符号 。
CdS光敏电阻的结构和符号
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响, 因此要将导
光电导体严密封装在玻璃壳体中 。 如果把光敏电阻连
接到外电路中, 在外加电压的作用下, 用光照射就能
改变电路中电流的大小, 其连线电路如图所示 。
光敏电阻具有 很高的灵敏度, 很好的光谱特性,
光谱响应可从紫外区到红外区范围内 。 而且体积小,
重量轻, 性能稳定, 价格便宜, 因此应用比较广泛 。
RG
RL
E
I
2,光敏电阻的主要参数和基本特性
（ 1）暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流,光敏电阻在室温条件下, 全暗 （ 无光照射 ）
后经过一定时间测量的电阻值, 称为暗电阻 。 此时在
给定电压下流过的电流 。
亮电流,光敏电阻在某一光照下的阻值, 称为该光照
下的亮电阻 。 此时流过的电流 。
光电流,亮电流与暗电流之差 。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻
的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过 1MΩ,甚至高达
100MΩ，而亮电阻则在几 kΩ以下，暗电阻与亮电阻之
比在 102～ 106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
（ 2）光照特性
下图表示 CdS光敏电阻的光照特性 。 在一定外加电压下,
光敏电阻的光电流和光通量之间的关系 。 不同类型光
敏电阻光照特性不同, 但光照特性曲线均呈非线性 。
因此它不宜作定量检测元件, 这是光敏电阻的不足之
处 。 一般在自动控制系统中用作光电开关 。
0
1
2
3
4
5
I/mA
L/lx
1000 2000
（ 3）光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化
铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰
值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源
的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
20
40
60
80
100
40
80
120
160
200
240
λ/μm
3 1 2 相
对
灵
敏
度
1—— 硫化镉
2—— 硒化镉
3—— 硫化铅
（ 4） 伏安特性
在一定照度下, 加在光敏电阻两端的电压与电流之
间的关系称为伏安特性 。 图中曲线 1,2分别表示照度
为 零 及照度为 某值 时的伏安特性 。 由曲线可知, 在给
定偏压下,光照度较大, 光电流也越大 。 在一定的光照
度下, 所加的电压越大, 光电流越大, 而且无饱和现
50
100
150
200
1
2
U/V
0
20 40
象 。 但是电压不能无限地
增大, 因为任何光敏电阻
都受额定功率, 最高工作
电压和额定电流的限制 。
超过最高工作电压和最大
额定电流, 可能导致光敏
电阻永久性损坏 。
I/ μA
（ 5）频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间
才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为
零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏,
20
40
60
80
100
I / %
f / Hz
0
10 102 103 104
电阻 时延特性不同，所以
它们的频率特性也不同，
如图。 硫化铅 的使用频率
比 硫化镉 高得多，但多数
光敏电阻的 时延都比较大，
所以，它不能用在要求快
速响应的场合。
硫化铅
硫化镉
（ 6）稳定性
图中曲线 1,2分别表示两种型号 CdS光敏电阻的稳
定性 。 初制成的光敏电阻, 由于 体内机构工作不稳定,
以及 电阻体与其介质的作用还没有达到平衡, 所以性
能是不够稳定的 。 但在人为地加温, 光照及加负载情
况下, 经一至二周的老化, 性能可达稳定 。 光敏电阻
在开始一段时间的老化过程中, 有些样品阻值上
I / %
40
80
120
160
2
1
T/h 0
400
800
1200
1600
升，有些样品阻值下降，但
最后达到一个稳定值后就不
再变了。这就是光敏电阻的
主要优点。
光敏电阻的使用寿命在
密封良好、使用合理的情况
下，几乎是 无限长 的。
（ 7）温度特性
其性能 (灵敏度, 暗电阻 )受温度的影响较大 。 随着温
度的升高, 其暗电阻和灵敏度下降, 光谱特性曲线的
峰值向波长短的方向移动 。 硫化镉的光电流 I和温度 T
的关系如图所示 。 有时为了提高灵敏度, 或为了能够
接收较长波段的辐射, 将元件降温使用 。 例如, 可利
用制冷器使光敏电阻的温度降低 。
I / μA
100
150
200
-50
-10
30
50
10
-30
T / oC
20
40
60
80
100
0
1.0 2.0
3.0
4.0
λ/μm
I/mA
+20 oC
-20 oC
二、光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的
器件 。 由于它可把太阳能直接变电能, 因此又称为太阳
能电池 。 它是基于光生伏特效应制成的, 是发电式有源
元件 。 它有较大面积的 PN结, 当光照射在 PN结上时,
在结的两端出现电动势 。
命名方式,把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 (或太阳能电
池 )之前 。 如, 硒光电池, 砷化镓光电池, 硅光电池等 。 目前,应
用最广, 最有发展前途的是硅光电池 。
?硅光电池价格便宜, 转换效率高, 寿命长, 适于接受红外光 。
?硒光电池光电转换效率低 (0.02％ ),寿命短, 适于接收可见光 (响
应峰值波长 0.56μm),最适宜制造照度计 。
?砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高, 光谱响应特性则与太
阳光谱最吻合 。 且工作温度最高, 更耐受宇宙射线的辐射 。 因此,
它在宇宙飞船, 卫星, 太空探测器等电源方面的应用是有发展前
途的 。
光电池的示意图
硅光电池的结构如图所示 。 它是在一块 N型硅片上用扩
散的办法掺入一些 P型杂质 (如硼 )形成 PN结 。 当光照到
PN结区时, 如果光子能量足够大, 将在结区附近激发
出电子 -空穴对, 在 N区聚积负电荷, P区聚积正电荷,
这样 N区和 P区之间出现电位差 。 若将 PN结两端用导线
连起来, 电路中有电流流过, 电流的方向由 P区流经外
电路至 N区 。 若将外电路断开, 就可测出光生电动势 。
1,光电池的结构和工作原理
+
光
P
N
－
SiO2
RL
(a) 光电池的结构图
I
光
(b) 光电池的工作原理示意图
P N
光电池的表示符号, 基本电路及等效电路如图所示 。
I
U
Id
U
I
RL
IΦ
(a)
(b)
(c)
图 4.3-17 光电池符号和基本工作电路
L/klx
L/klx
5
4
3
2
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
2
4
6
8
10
开路电压
Uoc /V
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.3
0.1
0
1
2
3 4
5
Uoc/V Isc /mA
Isc/mA
(a) 硅光电池 (b)硒光电池
（ 1）光照特性
开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线,
当照度为 2000lx时趋向饱和 。
短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线
2,基本特性
开路电压
短路电流 短路电流
短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是
很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，
因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”
条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光
照特性。从图中可以看出，负载电阻 RL越小，光
电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。
0
2
4
6
8
10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
I/mA
L/klx
50Ω
100Ω
1000Ω
5000Ω
RL=0
20
40
60
80
100
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.2
I / %
1
2
λ/μm
(2) 光谱特性
光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，
硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波
长在 540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范
围 400nm— 1100nm，峰值波长在 850nm附近，因此硅
光电池可以在很宽的范围内应用。
1—— 硒光电池
2—— 硅光电池
(3) 频率特性
光电池作为测量, 计数, 接收元件时常用调制光
输入 。 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频
率变化的关系 。 由于光电池 PN结面积较大, 极间电
容大, 故频率特性较差 。 图示为光电池的频率响应曲
线 。 由图可知, 硅光电池具有较高的频率响应, 如曲
线 2,而硒光电池则较差, 如曲线 1。
20
40
60
80
100
0
I / %
1
2
3
4
5
1
2
f / kHz
1—— 硒光电池
2—— 硅光电池
（ 4）温度特性
光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度
变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度
而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移
，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池
作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补
偿措施。
20
0
40
60
90
40
60
UOC/ mV
T / oC
ISC UOC
ISC / μA
600
400
200
UOC—— 开路电压
ISC —— 短路电流
硅光电池在 1000lx照
度下的温度特性曲线
三、光敏二极管和光敏三极管
光电二极管和光电池一样, 其 基本结构也是一个 PN
结 。 它和光电池相比, 重要的不同点是 结面积小, 因
此它的频率特性特别好 。 光生电势与光电池相同, 但
输出电流普遍比光电池小, 一般为几 μA到几十 μA。 按
材料分, 光电二极管有硅, 砷化镓, 锑化铟光电二极
管等许多种 。 按结构分, 有同质结与异质结之分 。 其
中最典型的是同质结硅光电二极管 。
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分
为 2CU和 2DU两种系列。 2CU系列以 N-Si为衬底,2DU
系列以 P-Si为衬底。 2CU系列的光电二极管只有两条引
线，而 2DU系列光电二极管有三条引线。
1,光敏二极管
光敏二极管符号如图 。 锗光敏二极管有 A,B,C,D四
类；硅光敏二极管有 2CU1A～ D系列, 2DU1～ 4系列 。
光敏二极管的结构与一般二极管相似, 它装在透明
玻璃外壳中, 其 PN结装在管顶, 可直接受到光照射 。
光敏二极管在电路中一般是处于 反向工作状态, 如图
所示 。
P
N
光
光敏二极管符号
RL
光
P
N
光敏二极管接线
光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向
电流很小。反向电流也叫做 暗电流,当光照射时，光敏
二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不
照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流
子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电
流即暗电流； 受光照射时,PN结附近受光子轰击，吸
收其能量而产生电子 -空穴对，从而使 P区和 N区的少数
载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的
作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入 N区,N区
的少数载流子渡越阻挡层进入 P区，从而使通过 PN结的
反向电流大为增加，这就形成了光电流 。光敏二极管的
光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特
性是线性的，所以适合检测等方面的应用。
（ 1） PIN管结光电二极管
PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，
在 P型半导体和 N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的
本征半导体。这样,PN结的内电场就基本上全集中于 I
层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式 τ = CjRL与 f = 1/2πτ知,Cj小,τ则小，频带将变
宽。
P-Si
N-Si
I-Si
PIN管结构示意图
最大特点：频带宽，可达 10GHz。另一个特点
是，因为 I层很厚，在反偏压下运用可承受较
高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽
度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使
耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，
使频带宽度变宽。
不足,I层电阻很大，管子的输出电流小，一
般多为零点几微安至数微安。目前有将 PIN管
与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于
一个管壳内的商品出售。
（ 2） 雪崩光电二极管 (APD)
雪崩光电二极管是利用 PN结在高反向电压下产生的
雪崩效应来工作的一种二极管 。
这种管子 工作电压很高, 约 100～ 200V,接近于反向
击穿电压 。 结区内电场极强, 光生电子在这种强电场中
可得到极大的加速, 同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反
应 。 因此, 这种管子有很高的内增益, 可达到几百 。 当
电压等于反向击穿电压时, 电流增益可达 106,即产生
所谓的雪崩 。 这种管子响应速度特别快, 带宽可达
100GHz,是目前响应速度最快的一种光电二极管 。
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反
应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近
或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水
平，以至无法使用。但由于 APD的响应时间极短，灵敏
度很高，它在光通信中应用前景广阔。
2,光敏三极管
光敏三极管有 PNP型和 NPN型两种，如图。其结构与一般
三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的
很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极
加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。 当光
线照射在集电结的基区时,会产生电子 -空穴对,在内电场的
作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发
射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成
输出电流,且集电极电流为光电流的 β倍。
P
P
N
N
N
P
e
b
b
c
RL
E
e c
光敏三极管的主要特性,
光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长 。 当入射
光的波长增加时, 相对灵敏度要下降 。 因为光子能量
太小, 不足以激发电子空穴对 。 当入射光的波长缩短
时, 相对灵敏度也下降, 这是由于光子在半导体表面
附近就被吸收, 并且在表面激发的电子空穴对不能到
达 PN结, 因而使相对灵敏度下降 。
（ 1）光谱特性
相
对
灵
敏
度/%
硅 锗
入射光
λ/? 4000 8000 12000 16000
100
80
60
40
20
0
硅的峰值波长为 9000?，
锗的峰值波长为 15000?。
由于锗管的暗电流比硅管
大, 因此锗管的性能较差 。
故在可见光或探测赤热状
态物体时, 一般选用硅管；
但对红外线进行探测时,则
采用锗管较合适 。
0
500lx
1000lx
1500lx
2000lx
2500lx
I/mA
2
4
6
20
40
60
80
光敏晶体管的伏安特性
（ 2）伏安特性
光敏三极管的伏安特性曲线如图所示 。 光敏三极
管在不同的照度下的伏安特性, 就像一般晶体管在不
同的基极电流时的输出特性一样 。 因此, 只要将入射
光照在发射极 e与基极 b之间的 PN结附近, 所产生的光
电流看作基极电流, 就可将光敏三极管看作一般的晶
体管 。 光敏三极管能把光信号变成电信号, 而且输出
的电信号较大 。
U/V
光敏晶体管的光照特性
I / μA
L/lx
200 400 600 800 1000 0
1.0
2.0
3.0
（ 3）光照特性
光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光
敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们
之间呈现了近似线性关系。当光照足够大 (几 klx)
时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作
线性转换元件，也可作开关元件。
暗电流 /mA 光电流 /mA
10
20
30
40
50
60
70
T /oC
25
0
50
100
0
200
300
400
10
20
30
40
50
60
70
80
T/oC 光敏晶体管的温度特性
（ 4）温度特性
光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三
极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲
线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而
对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗
电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。
（ 5）光敏三极管的频率特性
光敏三极管的频率特性曲线如图所示 。 光敏三极管的
频率特性受负载电阻的影响, 减小负载电阻可以提高频
率响应 。 一般来说, 光敏三极管的频率响应比光敏二极
管差 。 对于锗管, 入射光的调制频率要求在 5kHz以下 。
硅管的频率响应要比锗管好 。
0 100 1000 500 5000 10000
20
40
60
100
80 R
L =
1kΩ
R
L =
10
kΩ
R
L =
100
kΩ
入射光调制频率 / HZ
相
对
灵
敏
度
/%
图 4.3-15光敏晶体管的频率特性
第四节 其它光电传感器
一、色敏光电传感器
P
+
N
P
SiO2
电极 1 电极 2
电极 3
1
2
3
色敏光电传感器和等效电路
色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊
类型 。 它是两只结深不同的的光电二极管组合体, 其结
构和工作原理的等效电路如图所示 。
双结光电二极管的 P+-N结为浅结, N-P结为深结 。当光
照射时,P+,N,P三个区域及其间的势垒区均有光子吸
收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经
过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高
灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处
被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导
体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一
特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的
组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。
具体使用时，首先对该色敏器件进行标定，也就是测
定在不同波长光照射下，深结的短路电流 ISD2与浅结的
短路电流 ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在长波区较大，
ISD1在短波区较大；因而 ISD2 / ISD1与入射单色光波长的
关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光
的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
二、光固态图象传感器
光固态图象传感器由 光敏元件阵列 和 电荷转移器件
集合而成 。 它的核心是 电 荷 转移器 件 CTD(Charge
Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件 CCD(Charge
Coupled Device)。 CCD自 1970年问世以后, 由于它的低
噪声等特点, CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视
摄像, 信息存储和信息处理等方面 。
1,CCD的结构和基本原理
P型 Si
耗尽区 电荷转移方向
Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输入栅
输入二极管 输出二极管
SiO2
CCD的 MOS结构
CCD是由若干个电荷耦合单元组成, 该单
元的结构如图所示 。 CCD的最小单元是在 P型
（ 或 N型 ） 硅衬底上生长一层厚度约为 120nm的
SiO2,再在 SiO2层上依次沉积铝电极而构成
MOS的电容式转移器 。 将 MOS阵列加上输入,
输出端, 便构成了 CCD。
当向 SiO2表面的电极加正偏压时, P型硅衬
底中形成耗尽区 （ 势阱 ）, 耗尽区的深度随正
偏压升高而加大 。 其中的少数载流子 （ 电子 ）
被吸收到最高正偏压电极下的区域内 （ 如图中
Ф1极下 ）, 形成电荷包 （ 势阱 ） 。 对于 N型硅
衬底的 CCD器件, 电极加正偏压时, 少数载流
子为空穴 。
如何实现电荷定向转移呢？ 电荷转移的控制方法,
非常类似于步进电极的步进控制方式 。 也有二相, 三相
等控制方式之分 。 下面以三相控制方式为例说明控制电
荷定向转移的过程 。 见图
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
(a)
Ф1
Ф2
Ф3
t0 t1
t2
t3
t
Ф
(b)
电荷转移过程
t=t0
t=t1
t=t2
t=t3
0
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电
极 P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲 Φ1，
Φ2,Φ3,见图 （ b） 。 CCD电荷的注入通常有光注入,
电注入和热注入等方式 。 图 (b)采用电注入方式 。 当 P1极
施加高电压时, 在 P1下方产生电荷包 （ t=t0） ；当 P2极加
上同样的电压时, 由于两电势下面势阱间的耦合, 原来
在 P1下的电荷将在 P1,P2两电极下分布 （ t=t1） ；当 P1回
到低电位时, 电荷包全部流入 P2下的势阱中 （ t=t2） 。
然后, p3的电位升高, P2回到低电位, 电荷包从 P2下转
到 P3下的势阱 （ t=t3）, 以此控制, 使 P1下的电荷转移到
P3下 。 随着控制脉冲的分配, 少数载流子便从 CCD的一
端转移到最终端 。 终端的输出二极管搜集了少数载流子,
送入放大器处理, 便实现 电荷移动 。
2．线型 CCD图像传感器
线型 CCD图像传感器由一列光敏元件与一列 CCD并行
且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,
如图 4.4-4(a)所示 。 在每一个光敏元件上都有一个梳状公
共电极,由一个 P型沟阻使其在电气上隔开 。 当入射光照
射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚
集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成
正比 。 在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高 (平时
低电压 ),与 CCD对应的电极也同时处于高电压状态 。 然
后,降低梳状电极电压, 各光敏元件中所积累的光电电荷
并行地转移到移位寄存器中 。 当转移完毕,转移栅电压降
低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积
分周期 。 同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将
存储的电荷从 CCD中转移,由输出端输出 。 这个过程重复
地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形 。
目前, 实用的线型 CCD图像传感器为双行结构, 如
图 （ b） 所示 。 单, 双数光敏元件中的信号电荷分别转移
到上, 下方的移位寄存器中, 然后, 在控制脉冲的作用
下, 自左向右移动, 在输出端交替合并输出, 这样就形
成了原来光敏信号电荷的顺序 。
转移栅
光积分单元
不透光的电荷转移结构
光积分区
输出
转移栅
(a)
(b)
线型 CCD图像传感器
输出
3．面型 CCD图像传感器
面型 CCD图像传感器由感光区, 信号存储区
和输出转移部分组成 。 目前存在三种典型结构
形式, 如图所示 。
图 (a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄
存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路
将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上
，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极
管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像
信号。这种结构易于引起图像模糊。
二相驱动
视频输出
行
扫
描
发
生
器
输
出
寄
存
器
检波二极管
二相驱动
感光区
沟阻
P1
P2
P3
P1
P2
P3
P1
P2
P
3
感光区
存储区
析像单元
视频输出
输出栅
串行读出
面型 CCD图像传感器结构
(a)
(b)
图 （ b） 所示结构增加了具有公共水平方向
电极的不透光的信息存储区 。 在正常垂直回扫周
期内, 具有公共水平方向电极的感光区所积累的
电荷同样迅速下移到信息存储区 。 在垂直回扫结
束后, 感光区回复到积光状态 。 在水平消隐周期
内, 存储区的整个电荷图像向下移动, 每次总是
将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器,
该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信
号输出 。 当整帧视频信号自存储移出后, 就开始
下一帧信号的形成 。 该 CCD结构具有单元密度高,
电极简单等优点, 但增加了存储器 。
光栅报时钟
二相驱动
输出寄存器
检波二极管
视频输出
垂直转移
寄存器
感光区
二相驱动
(c)
图 (c)所示结构是用得最多的一种结构形式。
它将图 (b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一
列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。
在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开
，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫
周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上
移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信
号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形
成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但
单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
目前，面型 CCD图像传感器使用得越来越多，所能
生产的产品的单元数也越来越多，最多已达 1024× 1024
像元。我国也能生产 512× 320像元的面型 CCD图像传感
器。
三、光电耦合器
光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时
封装在一个外壳内组合而成的转换元件 。
绝缘玻璃
发光二极管
透明绝缘体 光敏三极管
塑料 发光二极管
光敏三极管
透明树脂
1,光电耦合器的结构
采用金属外壳和玻璃绝缘的结
构, 在其中部对接, 采用环焊
以保证发光二极管和光敏二极
管对准, 以此来提高灵敏度 。
(a)金属密封型 (b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结
构 。 管心先装于管脚上, 中间再
用透明树脂固定, 具有集光作用
,故此种结构灵敏度较高 。
2,光电耦合器的组合形式
光电耦合器的组合形式有多种, 如图 4.4-7所示 。
(a)
(b)
(c)
(d)
光电耦合器的组合形式
该形式结构简单、成本低，通常用
于 50kHz以下工作频率的装置内。
该形式采用高速开关管构成的高速光
电耦合器,适用于较高频率的装置中。
该组合形式采用了放大三极管构成的
高传输效率的光电耦合器，适用于直
接驱动和较低频率的装置中。
该形式采用功能器件构成的高速、高
传输效率的光电耦合器。
一、烟尘浊度监测仪
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一 。
为了消除工业烟尘污染, 首先要知道烟尘排放量,
因此必须对烟尘源进行监测, 自动显示和超标报
警 。 烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输
过程中的变化大小来检测的 。 如果烟道浊度增加,
光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加, 到
达光检测器的光减少, 因而光检测器输出信号的
强弱便可反映烟道浊度的变化 。
第五节 光电传感器的应用举例
平行
光源
光电
探测
放大
显示
刻度
校正
报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图
烟道
二、光电转速传感器
2
3
1
2
3
1
(a)
(b)
光电数字式转速表工作原理图
下图是光电数字式转速表的工作原理图。
图 (a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，
在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达
光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲
信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由
该脉冲频率决定。
在待测转速的轴上固
定一个涂上黑白相间
条纹的圆盘，它们具
有不同的反射率。当
转轴转动时，反光与
不反光交替出现，光
电敏感器件间断地接
收光的反射信号，转
换为电脉冲信号。
三、光电池应用
光电池主要有两大类型的应用,
?将光电池作光伏器件使用, 利用光伏作用直接将大阳能
转换成电能, 即太阳能电池 。 这是全世界范围内人们所
追求, 探索新能源的一个重要研究课题 。 太阳能电池已
在宇宙开发, 航空, 通信设施, 太阳电池地面发电站,
日常生活和交通事业中得到广泛应用 。 目前太阳电池发
电成本尚不能与常规能源竞争, 但是随着太阳电池技术
不断发展, 成本会逐渐下降, 太阳电池定将获得更广泛
的应用 。
?将光电池作光电转换器件应用, 需要光电池具有灵敏度
高, 响应时间短等特性, 但不必需要像太阳电池那样的
光电转换效率 。 这一类光电池需要特殊的制造工艺, 主
要用于光电检测和自动控制系统中 。
光电池应用举例如下,
1．太阳电池电源
太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、
调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载
供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系
统框图如图。
调节控制器
逆
变
器
交
流
负
载
太阳
电池
方阵
直
流
负
载
太阳能电池电源系统
阻塞二极管
2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时, 其基本原理
与光敏二极管相同, 但它们的基本结构和制造
工艺不完全相同 。 由于光电池工作时不需要外
加电压；光电转换效率高, 光谱范围宽, 频率
特性好, 噪声低等, 它已广泛地用于光电读出,
光电耦合, 光栅测距, 激光准直, 电影还音,
紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等 。
(a) 光电追踪电路
+12V
R4
R3
R6 R5 R2
R1
W BG1 BG2
图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路, 用两只性能相
似的同类光电池作为光电接收器件 。 当入射光通量相
同时, 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 。 当系
统略有偏差时, 电路输出差动信号带动执行机构进行
纠正, 以此达到跟踪的目的 。
光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路
BG2
BG1
+12V
C
J
R1
R2
(b) 光电开关
图 (b)所示电路为光电开关, 多用于自动控制系统
中 。 无光照时, 系统处于某一工作状态, 如通态或断态 。
当光电池受光照射时, 产生较高的电动势, 只要光强大
于某一设定的阈值, 系统就改变工作状态, 达到开关目
的 。
(c) 光电池触发电路
R1
R2 R3 R4 R5 R6
BG1
BG2
BG3 BG
4
C1
C2 C3
+12V
W
图 (c)为光电池触发电路 。 当光电池受光照
射时, 使单稳态或双稳态电路的状态翻转,
改变其工作状态或触发器件 (如可控硅 )导通 。
+12V
5G23
(d) 光电池放大电路
C3
-12V
W
R1
R2
R3
R4
R5 C1
C2 1 8
7 6
5
4
3
2
图 (d)为光电池放大电路 。 在测量溶液浓度, 物体色度
,纸张的灰度等场合, 可用该电路作前置级, 把微弱
光电信号进行线性放大, 然后带动指示机构或二次仪
表进行读数或记录 。
在 实 际 应 用
中, 主要利用光
电池的光照特性
,光谱特性, 频
率特性和温度特
性等, 通过基本
电路与其它电子
线路的组合可实
现或自动控制的
目的 。
220V
C1
路灯 CJD-10
8V
200μ F
200μ F
C2
C3
100μ F R1 R
3 R5
R7
R4
R6 R7
R2 J
470kΩ
200kΩ
10kΩ 4.3kΩ
BG1
280kΩ 25kΩ
57kΩ
10kΩ
路灯自动控制器
BG2
BG3
BG4
2CR
第一节 概述
第二节 外光电效应器件
第三节 内光电效应器件
第四节 新型光电传感器
第五节 光敏传感器的应用举例
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转
换的关键元件, 它是把 光信号 （ 红外, 可见及
紫外光辐射 ） 转变成为电信号的器件 。
一, 光谱
光波,波长为 10— 106nm的电磁波
可见光,波长 380— 780nm
紫外线,波长 10— 380nm,
波长 300— 380nm称为近紫外线
波长 200— 300nm称为远紫外线
波长 10— 200nm称为极远紫外线,
红外线,波长 780— 106nm
波长 3μm（即 3000nm）以下的称近红外线
波长超过 3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
第一节 概 述
远
紫
外
近
紫
外
可见光 近红外 远红外 极远紫外
0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5
波长 /μ m
波数 /cm-1
频率 /Hz
光子能量 /eV
106 105 104 103 5× 105 5× 104 5× 103
1015 5× 1014 1014 5× 1013
100 10 1 50 5 0.5
5× 1015 1016 3× 1018
光的波长与频率的关系由光速确定, 真空中的光速
c=2.99793× 1010cm/s,通常 c≈3× 1010cm/s。 光的波长
λ和频率 ν的关系为
ν的单位为 Hz,λ的单位为 cm。
νλ=3× 1010cm / s
二, 光源 （ 发光器件 ）
1,钨丝白炽灯
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通, 一般白炽
灯的辐射光谱是 连续的
发光范围,可见光外, 大量红外线和紫外线, 所以任何
光敏元件都能和它配合接收到光信号 。
特点,寿命短而且发热大, 效率低, 动态特性差, 但对
接收光敏元件的光谱特性要求不高, 是可取之处 。
在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘
钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。
2,气体放电灯
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯 。
气体放电灯的光谱是 不连续 的, 光谱与气体的种类及
放电条件有关 。 改变气体的成分, 压力, 阴极材料和
放电电流大小, 可得到主要在某一光谱范围的辐射 。
低压汞灯, 氢灯, 钠灯, 镉灯, 氦灯是光谱仪器
中常用的光源, 统称为光谱灯 。 例如低压汞灯的辐射
波长为 254nm,钠灯的辐射波长为 589nm,它们经常用
作光电检测仪器的 单色光源 。 如果光谱灯涂以荧光剂,
由于光线与涂层材料的作用, 荧光剂可以将气体放电
谱线转化为更长的波长, 目前荧光剂的选择范围很广,
通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的
波长, 如, 照明日光灯 。
气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯 1/2— 1/3。
3,发光二极管 LED（ Light Emitting Diode）
由半导体 PN结构成, 其工作电压低, 响应速度快, 寿
命长, 体积小, 重量轻, 因此获得了广泛的应用 。
在半导体 PN结中,P区的空穴由于扩散而移动到 N
区,N区的电子则扩散到 P区，在 PN结处形成势垒，从
而抑制了空穴和电子的继续扩散。当 PN结上加有正向
电压时，势垒降低，电子由 N区注入到 P区，空穴则由 P
区注入到 N区，称为少数载流子注入。所注入到 P区里
的电子和 P区里的空穴复合，注入到 N区里的空穴和 N区
里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能
量，因而有发光现象。
电子和空穴复合, 所释放的能量 Eg等于 PN结的禁
带宽度 （ 即能量间隙 ） 。 所放出的光子能量用 hν表示,
h为普朗克常数, ν为光的频率 。 则
gE
hc??
gE
ch ?
?
gEh ??
普朗克常数 h=6.6╳ 10-34J.s；光速 c=3╳ 108m/s；
Eg的单位为电子伏（ eV）,1eV=1.6╳ 10-19J。
hc=19.8× 10-26m?W?s=12.4× 10-7m?eV。
可见光的波长 λ近似地认为在 7× 10-7m以下，所以制
作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于
h c /λ=1.8 eV
普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽
度 Eg分别为 0.67eV和 1.12eV，显然不能使用。
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体, 写作
GaAs1-xPx,x代表磷化镓的比例, 当 x＞ 0.35时, 可得
到 Eg≥1.8eV的材料 。 改变 x值还可以决定发光波长, 使
λ在 550～ 900nm间变化, 它已经进入红外区 。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表 。
材料 波长 /nm
材料
波长 /nm
ZnS 340
CuSe-ZnSe
400～ 630
SiC 480
ZnxCd1-xTe
590～ 830
GaP 565,680
GaAs1-xPx
550～ 900
GaAs
900
InPxAs1-x
910～ 3150
InP
920
InxGa1-xAs
850～ 1350
表 4.1-1 LED材料
发光二极管的 伏安特性 与普通二极管相似, 但随
材料禁带宽度的不同, 开启 （ 点燃 ） 电压略有差异 。
图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线, 红色约为 1.7V
开启, 绿色约为 2.2V。
U/V
I/mA
注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般
而言，发光二极管的反向击穿电压大于 5V，为了安全
起见，使用时反向电压应在 5V以下。
-10
-5 0 1 2
GaAsP(红 )
GaAsP(绿 )
发光二极管的 光谱特性 如图所示 。 图中砷磷化镓的
曲线有两根, 这是因为其材质成分稍有差异而得到不同
的峰值波长 λp 。 除峰值波长 λp决定发光颜色之外, 峰的
宽度 （ 用 Δλ描述 ） 决定光的色彩纯度, Δλ越小, 其光色
越纯 。
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 600 700 800 900 1000
GaAsP
λ p=670nm
λ p=655nm
GaAsP
λ p=565nm GaP
λ p=950nm
GaAs
发光二极管的光谱特性 λ/nm
相
对
灵
敏
度
4,激光器
激光是 20世纪 60年代出现的最重大科技成就之
一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重
要特性。激光波长从 0.24μm到远红外整个光频
波段范围。
激光器种类 繁多, 按工作物质分类,
?固体 激光器 （ 如红宝石激光器 ）
?气体 激光器 （ 如氦 -氖气体激光器, 二氧化碳
激光器 ）
?半导体 激光器 （ 如砷化镓激光器 ）
?液体 激光器 。
（ 1） 固体激光器
典型实例是 红宝石 激光器，是 1960年人类发明
的 第一台激光器 。它的工作物质是固体。
种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器
（简称 YAG激光器）和钕玻璃激光器等。
特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目
前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。
固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应
用。 利用阿波罗登月留下的反射镜,红宝石激光器
还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
（ 2） 气体激光器
工作物质是气体。
种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子
激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、
氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子
激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连
续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外
到远红外的频谱区域 。
（ 3） 半导体激光器
与前两种相比出现较晚, 其成熟产品是砷化镓
激光器 。 特点：效率高, 体积小, 重量轻, 结
构简单, 适宜在飞机, 军舰, 坦克上应用以及
步兵随身携带, 如在飞机上作测距仪来瞄准敌
机 。 其缺点是输出功率较小 。 目前半导体激光
器可选择的波长主要局限在红光和红外区域 。
（ 4）液体激光器
种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染
料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。
它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内
调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他
激光器不能起的作用。
三, 光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能
量, 从而产生的电效应 。 光电传感器的工作原理基于
光电效应 。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两
大类
1,外光电效应
在光线的作用下, 物体内的电子逸出物体表面向外
发射的现象 称为外光电效应 。 向外发射的电子叫做光
电子 。 基于外光电效应的光电器件有光电管, 光电倍
增管等 。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量,
E=hν
h— 普朗克常数,6.626× 10-34J·s； ν— 光的频率（ s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子
的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必
须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过
部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应
多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金
属释放电子所需时间不超过 10-9s。
根据能量守恒定理
式中 m— 电子质量； v0— 电子逸出速度。
0
2
02
1
Amh ?? ??
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
?光电子能否产生, 取决于光电子的能量是否大于该物
体的表面电子逸出功 A0。 不同的物质具有不同的逸出功,
即每一个物体都有一个对应的光频阈值, 称为红限频率
或波长限 。 光线频率低于红限频率, 光子能量不足以使
物体内的电子逸出, 因而小于红限频率的入射光, 光强
再大也不会产生光电子发射；反之, 入射光频率高于红
限频率, 即使光线微弱, 也会有光电子射出 。
?当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成
正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的
电子数也就越多。
?光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2,因此外光
电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有
光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，
而且截止电压与入射光的频率成正比。
当光照射在物体上，使物体的电阻率 ρ发生
变化，或产生光生电动势的现象 叫做内光电效应，
它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内
光电效应分为 光电导效应 和 光生伏特效应 两类,
（ 1） 光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态
过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这
种现象被称为光电导效应 。基于这种效应的光电
器件有光敏电阻。
2、内光电效应
过程,当光照射到半导体材料上时, 价带中的电子受
到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击, 并使其由价
带越过禁带跃入导带, 如图, 使材料中导带内的电子
和价带内的空穴浓度增加, 从而使电导率变大 。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光
电导材料，总存在一个照射光波长限 λ0，只有
波长小于 λ0的光照射在光电导体上，才能产生
电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率
增加。
式中 ν,λ分别为入射光的频率和波长。
Eg24.1 ???
??
? hch
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导
材料的禁带宽度 Eg，即
（ 2） 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的
电动势的现象叫做光生伏特效应 。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管,
三极管 。
① 势垒效应 （ 结光电效应 ） 。
接触的半导体和 PN结中，当光线照射其接
触区域时，便引起光电动势,这就是结光电效应。
以 PN结为例，光线照射 PN结时，设光子能量大于禁
带宽度 Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子
空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子
移向 N区外侧，被光激发的空穴移向 P区外侧，从而
使 P区带正电,N区带负电，形成光电动势。
② 侧向光电效应 。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载
流子浓度梯度将会产生侧向光电效应 。当光照
部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，
光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子
浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流
子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么
空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩
散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射
部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光
电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电
位置敏感器件（ PSD）。
利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制
成的光电器件,一般都是真空的或充气的光电器件，
如光电管和光电倍增管。
一、光电管及其基本特性
光电管的结构示意图
光
阳极
光电阴极 光窗
1,结构与工作原理
光电管有真空光电管和充气
光电管或称电子光电管和离子光
电管两类。两者结构相似，如图。
它们由一个阴极和一个阳极构成，
并且密封在一只真空玻璃管内。
阴极装在玻璃管内壁上，其上涂
有光电发射材料。阳极通常用金
属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻
璃管的中央。
第二节 外光电效应器件
光电器件的性能主要由伏安特性, 光照特性, 光谱
特性, 响应时间, 峰值探测率和温度特性来描述 。
（ 1） 光电管的伏安特性
2,主要性能
在一定的光照射
下, 对光电器件的阴
极所加电压与阳极所
产生的电流之间的关
系称为光电管的伏安
特性 。 光电管的伏安
特性如图所示 。 它是
应用光电传感器参数
的主要依据 。
图 4.2-2 光电管的伏安特性
50
20μlm
40μlm
60μlm
80μlm
100μlm
120μlm
100
150
200
0
2
4
6
8
10
12
阳极与末级倍增极间的电压 /V
IA/ μA
（ 2） 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定
时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。
其特性曲线如图所示。曲线 1表示 氧铯阴极 光电
管的光照特性，光电
流 I与光通量成线性关
系。曲线 2为 锑铯阴极
的光电管光照特性，
它成非线性关系。光
照特性曲线的斜率
（光电流与入射光光
通量之间比）称为光
电管的灵敏度。
光电管的光照特性
25
50
75
100
2
0 0.5 1.5 2.0 Φ/1m
IA/ μA
1.0 2.5
1
（ 3） 光电管光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管
对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不
变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的
光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，
它们有不同的红限频率 υ0，因此它们可用于不同的光
谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频
率高于红限频率 υ0，并且强度相同，随着入射光频率
的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一
光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电
管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应
选用不同材料的光电阴极。
国产 GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。
其红限 λ0=7000?，它对可见光范围的入射光灵敏度比较
高，转换效率,25%~30%。它适用于 白光光源,因而被
广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对 红外光源,
常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对 紫外光源,常用
锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围
较宽，为 3000~8500?，灵敏度也较高，与人的视觉光谱
特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管
的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测
量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任
的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。
一般充气光电管当入射光频率大于 8000Hz时，光电
流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。
二、光电倍增管及其基本特性
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 μA,很不容易探测 。 这时常用光电倍增管对
电流进行放大, 下图为其内部结构示意图 。
1,结构和工作原理
由 光阴极, 次阴极 (倍增电极 )以及 阳极 三部分组成 。 光阴极是由半
导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯
材料而形成的, 次阴极多的可达 30级；阳极是最后用来收集电子
入射光
光电阴极
第一倍增极
阳极
第三倍增极
的，收集到的电子数是阴极
发射电子数的 105~106倍。即
光电倍增管的放大倍数可达
几万倍到几百万倍。光电倍
增管的灵敏度就比普通光电
管高几万倍到几百万倍。因
此在很微弱的光照时，它就
能产生很大的光电流。
（ 1） 倍增系数 M 倍增系数 M等于 n个倍增电极的二
次电子发射系数 δ的乘积 。 如果 n个倍增电极的 δ都相同,
则 M= 因此, 阳极电流 I 为
I = i · i — 光电阴极的光电流
光电倍增管的电流放大倍数 β为
β= I / i =
M与所加电压有关,M在 105~108之间，稳定性为 1％左
右，加速电压稳定性要在 0.1％以内。如果有波动，倍
增系数也要波动，因此 M具有一定的统计涨落。一般
阳极和阴极之间的电压为 1000~2500V，两个相邻的倍
增电极的电位差为 50~100V。对所加电压越稳越好，这
样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。
2,主要参数
n
i?
n
i?
n
i?
103
104
105
106
25 50
75
100
125
极间电压 /V
放大倍数
光电倍增管的特性曲线
（ 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数
叫做光电倍增管的 阴极灵敏度 。而一个光子在
阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的 总
灵敏度 。
光电倍增管的最大灵敏度可达 10A/lm，极
间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能
太高，太高反而会使阳极电流不稳。
另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所
以不能受强光照射，否则将会损坏。
（ 3） 暗电流和本底脉冲
一般在使用光电倍增管时, 必须把管子放
在暗室里避光使用, 使其只对入射光起作用；
但是由于环境温度, 热辐射和其它因素的影响,
即使没有光信号输入, 加上电压后阳极仍有电
流, 这种电流称为 暗电流, 这是热发射所致或
场致发射造成的, 这种暗电流通常可以用补偿
电路消除 。
如果光电倍增管与闪烁体放在一处, 在完全蔽
光情况下, 出现的电流称为 本底电流, 其值大
于暗电流 。 增加的部分是宇宙射线对闪烁体的
照射而使其激发, 被激发的闪烁体照射在光电
倍增管上而造成的, 本底电流 具有 脉冲形式 。
光电
倍增
管的
光照
特性
与直线最大
偏离是 3%
10－ 13
10－ 10
10－ 9
10－ 7
10－ 5
10－ 3
10－ 1
在 45mA
处饱和
10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2
光通量 /1m
阳
极
电
流
/ A
（ 4） 光电倍增管的光谱特性
光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射
在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的
管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，
即入射光通量小于 10-4lm时，有较好的线性关系。光通
量大，开始出现非线性，如图所示。
利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动
势的光电器件 称 内光电效应器件，常见的有 光敏
电阻光电池和光敏晶体管等。
一、光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工
作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而
减小。
优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重
量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能
力强和寿命长等。
不足：需要外部电源，有电流时会发热。
第三节 内光电效应器件
1,光敏电阻的工作原理和结构
当光照射到光电导体上时, 若光电导体为本征半导
体材料, 而且光辐射能量又足够强, 光导材料价带上的
电子将激发到导带上去, 从而使导带的电子和价带的空
穴增加, 致使光导体的电导率变大 。 为实现能级的跃迁,
入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度 Eg,即
hν= = ≥Eg(eV)
式中 ν和 λ— 入射光的频率和波长 。
一种光电导体, 存在一个照射光的波长限 λC,只有
波长小于 λC的光照射在光电导体上, 才能产生电子在能
级间的跃迁, 从而使光电导体电导率增加 。
?
ch ?
?
24.1
光敏电阻的结构如图所示 。 管芯是一块安装在绝缘
衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 。 光导体吸收
光子而产生的光电效应, 只限于光照的表面薄层, 虽然
产生的载流子也有少数扩散到内部去, 但扩散深度有
A
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
光导电材料
绝缘衬低
引线
电极
引线
光电导体
限, 因此光电导体一
般都做成薄层 。 为了
获得高的灵敏度, 光
敏电阻的电极一般采
用硫状图案, 结构 见
下图 。
1--光导层 ;
2--玻璃窗口 ;
3--金属外壳 ;
4--电极 ;
5--陶瓷基座 ;
6--黑色绝缘玻璃 ;
7--电阻引线 。
RG
1 2 3
4
5
6
7
(a)结构 (b)电极 (c)符号
它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或
铟等金属形成的 。 这种硫状电极, 由于在间距
很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积, 所
以提高了光敏电阻的灵敏度 。 图 （ c） 是光敏电
阻的代表符号 。
CdS光敏电阻的结构和符号
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响, 因此要将导
光电导体严密封装在玻璃壳体中 。 如果把光敏电阻连
接到外电路中, 在外加电压的作用下, 用光照射就能
改变电路中电流的大小, 其连线电路如图所示 。
光敏电阻具有 很高的灵敏度, 很好的光谱特性,
光谱响应可从紫外区到红外区范围内 。 而且体积小,
重量轻, 性能稳定, 价格便宜, 因此应用比较广泛 。
RG
RL
E
I
2,光敏电阻的主要参数和基本特性
（ 1）暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流,光敏电阻在室温条件下, 全暗 （ 无光照射 ）
后经过一定时间测量的电阻值, 称为暗电阻 。 此时在
给定电压下流过的电流 。
亮电流,光敏电阻在某一光照下的阻值, 称为该光照
下的亮电阻 。 此时流过的电流 。
光电流,亮电流与暗电流之差 。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻
的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过 1MΩ,甚至高达
100MΩ，而亮电阻则在几 kΩ以下，暗电阻与亮电阻之
比在 102～ 106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
（ 2）光照特性
下图表示 CdS光敏电阻的光照特性 。 在一定外加电压下,
光敏电阻的光电流和光通量之间的关系 。 不同类型光
敏电阻光照特性不同, 但光照特性曲线均呈非线性 。
因此它不宜作定量检测元件, 这是光敏电阻的不足之
处 。 一般在自动控制系统中用作光电开关 。
0
1
2
3
4
5
I/mA
L/lx
1000 2000
（ 3）光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化
铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰
值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源
的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
20
40
60
80
100
40
80
120
160
200
240
λ/μm
3 1 2 相
对
灵
敏
度
1—— 硫化镉
2—— 硒化镉
3—— 硫化铅
（ 4） 伏安特性
在一定照度下, 加在光敏电阻两端的电压与电流之
间的关系称为伏安特性 。 图中曲线 1,2分别表示照度
为 零 及照度为 某值 时的伏安特性 。 由曲线可知, 在给
定偏压下,光照度较大, 光电流也越大 。 在一定的光照
度下, 所加的电压越大, 光电流越大, 而且无饱和现
50
100
150
200
1
2
U/V
0
20 40
象 。 但是电压不能无限地
增大, 因为任何光敏电阻
都受额定功率, 最高工作
电压和额定电流的限制 。
超过最高工作电压和最大
额定电流, 可能导致光敏
电阻永久性损坏 。
I/ μA
（ 5）频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间
才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为
零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏,
20
40
60
80
100
I / %
f / Hz
0
10 102 103 104
电阻 时延特性不同，所以
它们的频率特性也不同，
如图。 硫化铅 的使用频率
比 硫化镉 高得多，但多数
光敏电阻的 时延都比较大，
所以，它不能用在要求快
速响应的场合。
硫化铅
硫化镉
（ 6）稳定性
图中曲线 1,2分别表示两种型号 CdS光敏电阻的稳
定性 。 初制成的光敏电阻, 由于 体内机构工作不稳定,
以及 电阻体与其介质的作用还没有达到平衡, 所以性
能是不够稳定的 。 但在人为地加温, 光照及加负载情
况下, 经一至二周的老化, 性能可达稳定 。 光敏电阻
在开始一段时间的老化过程中, 有些样品阻值上
I / %
40
80
120
160
2
1
T/h 0
400
800
1200
1600
升，有些样品阻值下降，但
最后达到一个稳定值后就不
再变了。这就是光敏电阻的
主要优点。
光敏电阻的使用寿命在
密封良好、使用合理的情况
下，几乎是 无限长 的。
（ 7）温度特性
其性能 (灵敏度, 暗电阻 )受温度的影响较大 。 随着温
度的升高, 其暗电阻和灵敏度下降, 光谱特性曲线的
峰值向波长短的方向移动 。 硫化镉的光电流 I和温度 T
的关系如图所示 。 有时为了提高灵敏度, 或为了能够
接收较长波段的辐射, 将元件降温使用 。 例如, 可利
用制冷器使光敏电阻的温度降低 。
I / μA
100
150
200
-50
-10
30
50
10
-30
T / oC
20
40
60
80
100
0
1.0 2.0
3.0
4.0
λ/μm
I/mA
+20 oC
-20 oC
二、光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的
器件 。 由于它可把太阳能直接变电能, 因此又称为太阳
能电池 。 它是基于光生伏特效应制成的, 是发电式有源
元件 。 它有较大面积的 PN结, 当光照射在 PN结上时,
在结的两端出现电动势 。
命名方式,把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 (或太阳能电
池 )之前 。 如, 硒光电池, 砷化镓光电池, 硅光电池等 。 目前,应
用最广, 最有发展前途的是硅光电池 。
?硅光电池价格便宜, 转换效率高, 寿命长, 适于接受红外光 。
?硒光电池光电转换效率低 (0.02％ ),寿命短, 适于接收可见光 (响
应峰值波长 0.56μm),最适宜制造照度计 。
?砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高, 光谱响应特性则与太
阳光谱最吻合 。 且工作温度最高, 更耐受宇宙射线的辐射 。 因此,
它在宇宙飞船, 卫星, 太空探测器等电源方面的应用是有发展前
途的 。
光电池的示意图
硅光电池的结构如图所示 。 它是在一块 N型硅片上用扩
散的办法掺入一些 P型杂质 (如硼 )形成 PN结 。 当光照到
PN结区时, 如果光子能量足够大, 将在结区附近激发
出电子 -空穴对, 在 N区聚积负电荷, P区聚积正电荷,
这样 N区和 P区之间出现电位差 。 若将 PN结两端用导线
连起来, 电路中有电流流过, 电流的方向由 P区流经外
电路至 N区 。 若将外电路断开, 就可测出光生电动势 。
1,光电池的结构和工作原理
+
光
P
N
－
SiO2
RL
(a) 光电池的结构图
I
光
(b) 光电池的工作原理示意图
P N
光电池的表示符号, 基本电路及等效电路如图所示 。
I
U
Id
U
I
RL
IΦ
(a)
(b)
(c)
图 4.3-17 光电池符号和基本工作电路
L/klx
L/klx
5
4
3
2
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
2
4
6
8
10
开路电压
Uoc /V
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.3
0.1
0
1
2
3 4
5
Uoc/V Isc /mA
Isc/mA
(a) 硅光电池 (b)硒光电池
（ 1）光照特性
开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线,
当照度为 2000lx时趋向饱和 。
短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线
2,基本特性
开路电压
短路电流 短路电流
短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是
很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，
因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”
条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光
照特性。从图中可以看出，负载电阻 RL越小，光
电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。
0
2
4
6
8
10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
I/mA
L/klx
50Ω
100Ω
1000Ω
5000Ω
RL=0
20
40
60
80
100
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.2
I / %
1
2
λ/μm
(2) 光谱特性
光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，
硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波
长在 540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范
围 400nm— 1100nm，峰值波长在 850nm附近，因此硅
光电池可以在很宽的范围内应用。
1—— 硒光电池
2—— 硅光电池
(3) 频率特性
光电池作为测量, 计数, 接收元件时常用调制光
输入 。 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频
率变化的关系 。 由于光电池 PN结面积较大, 极间电
容大, 故频率特性较差 。 图示为光电池的频率响应曲
线 。 由图可知, 硅光电池具有较高的频率响应, 如曲
线 2,而硒光电池则较差, 如曲线 1。
20
40
60
80
100
0
I / %
1
2
3
4
5
1
2
f / kHz
1—— 硒光电池
2—— 硅光电池
（ 4）温度特性
光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度
变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度
而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移
，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池
作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补
偿措施。
20
0
40
60
90
40
60
UOC/ mV
T / oC
ISC UOC
ISC / μA
600
400
200
UOC—— 开路电压
ISC —— 短路电流
硅光电池在 1000lx照
度下的温度特性曲线
三、光敏二极管和光敏三极管
光电二极管和光电池一样, 其 基本结构也是一个 PN
结 。 它和光电池相比, 重要的不同点是 结面积小, 因
此它的频率特性特别好 。 光生电势与光电池相同, 但
输出电流普遍比光电池小, 一般为几 μA到几十 μA。 按
材料分, 光电二极管有硅, 砷化镓, 锑化铟光电二极
管等许多种 。 按结构分, 有同质结与异质结之分 。 其
中最典型的是同质结硅光电二极管 。
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分
为 2CU和 2DU两种系列。 2CU系列以 N-Si为衬底,2DU
系列以 P-Si为衬底。 2CU系列的光电二极管只有两条引
线，而 2DU系列光电二极管有三条引线。
1,光敏二极管
光敏二极管符号如图 。 锗光敏二极管有 A,B,C,D四
类；硅光敏二极管有 2CU1A～ D系列, 2DU1～ 4系列 。
光敏二极管的结构与一般二极管相似, 它装在透明
玻璃外壳中, 其 PN结装在管顶, 可直接受到光照射 。
光敏二极管在电路中一般是处于 反向工作状态, 如图
所示 。
P
N
光
光敏二极管符号
RL
光
P
N
光敏二极管接线
光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向
电流很小。反向电流也叫做 暗电流,当光照射时，光敏
二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不
照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流
子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电
流即暗电流； 受光照射时,PN结附近受光子轰击，吸
收其能量而产生电子 -空穴对，从而使 P区和 N区的少数
载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的
作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入 N区,N区
的少数载流子渡越阻挡层进入 P区，从而使通过 PN结的
反向电流大为增加，这就形成了光电流 。光敏二极管的
光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特
性是线性的，所以适合检测等方面的应用。
（ 1） PIN管结光电二极管
PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，
在 P型半导体和 N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的
本征半导体。这样,PN结的内电场就基本上全集中于 I
层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式 τ = CjRL与 f = 1/2πτ知,Cj小,τ则小，频带将变
宽。
P-Si
N-Si
I-Si
PIN管结构示意图
最大特点：频带宽，可达 10GHz。另一个特点
是，因为 I层很厚，在反偏压下运用可承受较
高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽
度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使
耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，
使频带宽度变宽。
不足,I层电阻很大，管子的输出电流小，一
般多为零点几微安至数微安。目前有将 PIN管
与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于
一个管壳内的商品出售。
（ 2） 雪崩光电二极管 (APD)
雪崩光电二极管是利用 PN结在高反向电压下产生的
雪崩效应来工作的一种二极管 。
这种管子 工作电压很高, 约 100～ 200V,接近于反向
击穿电压 。 结区内电场极强, 光生电子在这种强电场中
可得到极大的加速, 同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反
应 。 因此, 这种管子有很高的内增益, 可达到几百 。 当
电压等于反向击穿电压时, 电流增益可达 106,即产生
所谓的雪崩 。 这种管子响应速度特别快, 带宽可达
100GHz,是目前响应速度最快的一种光电二极管 。
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反
应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近
或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水
平，以至无法使用。但由于 APD的响应时间极短，灵敏
度很高，它在光通信中应用前景广阔。
2,光敏三极管
光敏三极管有 PNP型和 NPN型两种，如图。其结构与一般
三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的
很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极
加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。 当光
线照射在集电结的基区时,会产生电子 -空穴对,在内电场的
作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发
射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成
输出电流,且集电极电流为光电流的 β倍。
P
P
N
N
N
P
e
b
b
c
RL
E
e c
光敏三极管的主要特性,
光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长 。 当入射
光的波长增加时, 相对灵敏度要下降 。 因为光子能量
太小, 不足以激发电子空穴对 。 当入射光的波长缩短
时, 相对灵敏度也下降, 这是由于光子在半导体表面
附近就被吸收, 并且在表面激发的电子空穴对不能到
达 PN结, 因而使相对灵敏度下降 。
（ 1）光谱特性
相
对
灵
敏
度/%
硅 锗
入射光
λ/? 4000 8000 12000 16000
100
80
60
40
20
0
硅的峰值波长为 9000?，
锗的峰值波长为 15000?。
由于锗管的暗电流比硅管
大, 因此锗管的性能较差 。
故在可见光或探测赤热状
态物体时, 一般选用硅管；
但对红外线进行探测时,则
采用锗管较合适 。
0
500lx
1000lx
1500lx
2000lx
2500lx
I/mA
2
4
6
20
40
60
80
光敏晶体管的伏安特性
（ 2）伏安特性
光敏三极管的伏安特性曲线如图所示 。 光敏三极
管在不同的照度下的伏安特性, 就像一般晶体管在不
同的基极电流时的输出特性一样 。 因此, 只要将入射
光照在发射极 e与基极 b之间的 PN结附近, 所产生的光
电流看作基极电流, 就可将光敏三极管看作一般的晶
体管 。 光敏三极管能把光信号变成电信号, 而且输出
的电信号较大 。
U/V
光敏晶体管的光照特性
I / μA
L/lx
200 400 600 800 1000 0
1.0
2.0
3.0
（ 3）光照特性
光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光
敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们
之间呈现了近似线性关系。当光照足够大 (几 klx)
时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作
线性转换元件，也可作开关元件。
暗电流 /mA 光电流 /mA
10
20
30
40
50
60
70
T /oC
25
0
50
100
0
200
300
400
10
20
30
40
50
60
70
80
T/oC 光敏晶体管的温度特性
（ 4）温度特性
光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三
极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲
线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而
对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗
电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。
（ 5）光敏三极管的频率特性
光敏三极管的频率特性曲线如图所示 。 光敏三极管的
频率特性受负载电阻的影响, 减小负载电阻可以提高频
率响应 。 一般来说, 光敏三极管的频率响应比光敏二极
管差 。 对于锗管, 入射光的调制频率要求在 5kHz以下 。
硅管的频率响应要比锗管好 。
0 100 1000 500 5000 10000
20
40
60
100
80 R
L =
1kΩ
R
L =
10
kΩ
R
L =
100
kΩ
入射光调制频率 / HZ
相
对
灵
敏
度
/%
图 4.3-15光敏晶体管的频率特性
第四节 其它光电传感器
一、色敏光电传感器
P
+
N
P
SiO2
电极 1 电极 2
电极 3
1
2
3
色敏光电传感器和等效电路
色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊
类型 。 它是两只结深不同的的光电二极管组合体, 其结
构和工作原理的等效电路如图所示 。
双结光电二极管的 P+-N结为浅结, N-P结为深结 。当光
照射时,P+,N,P三个区域及其间的势垒区均有光子吸
收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经
过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高
灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处
被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导
体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一
特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的
组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。
具体使用时，首先对该色敏器件进行标定，也就是测
定在不同波长光照射下，深结的短路电流 ISD2与浅结的
短路电流 ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在长波区较大，
ISD1在短波区较大；因而 ISD2 / ISD1与入射单色光波长的
关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光
的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
二、光固态图象传感器
光固态图象传感器由 光敏元件阵列 和 电荷转移器件
集合而成 。 它的核心是 电 荷 转移器 件 CTD(Charge
Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件 CCD(Charge
Coupled Device)。 CCD自 1970年问世以后, 由于它的低
噪声等特点, CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视
摄像, 信息存储和信息处理等方面 。
1,CCD的结构和基本原理
P型 Si
耗尽区 电荷转移方向
Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输入栅
输入二极管 输出二极管
SiO2
CCD的 MOS结构
CCD是由若干个电荷耦合单元组成, 该单
元的结构如图所示 。 CCD的最小单元是在 P型
（ 或 N型 ） 硅衬底上生长一层厚度约为 120nm的
SiO2,再在 SiO2层上依次沉积铝电极而构成
MOS的电容式转移器 。 将 MOS阵列加上输入,
输出端, 便构成了 CCD。
当向 SiO2表面的电极加正偏压时, P型硅衬
底中形成耗尽区 （ 势阱 ）, 耗尽区的深度随正
偏压升高而加大 。 其中的少数载流子 （ 电子 ）
被吸收到最高正偏压电极下的区域内 （ 如图中
Ф1极下 ）, 形成电荷包 （ 势阱 ） 。 对于 N型硅
衬底的 CCD器件, 电极加正偏压时, 少数载流
子为空穴 。
如何实现电荷定向转移呢？ 电荷转移的控制方法,
非常类似于步进电极的步进控制方式 。 也有二相, 三相
等控制方式之分 。 下面以三相控制方式为例说明控制电
荷定向转移的过程 。 见图
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
P1
P1
P2
P2
P3
P3
(a)
Ф1
Ф2
Ф3
t0 t1
t2
t3
t
Ф
(b)
电荷转移过程
t=t0
t=t1
t=t2
t=t3
0
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电
极 P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲 Φ1，
Φ2,Φ3,见图 （ b） 。 CCD电荷的注入通常有光注入,
电注入和热注入等方式 。 图 (b)采用电注入方式 。 当 P1极
施加高电压时, 在 P1下方产生电荷包 （ t=t0） ；当 P2极加
上同样的电压时, 由于两电势下面势阱间的耦合, 原来
在 P1下的电荷将在 P1,P2两电极下分布 （ t=t1） ；当 P1回
到低电位时, 电荷包全部流入 P2下的势阱中 （ t=t2） 。
然后, p3的电位升高, P2回到低电位, 电荷包从 P2下转
到 P3下的势阱 （ t=t3）, 以此控制, 使 P1下的电荷转移到
P3下 。 随着控制脉冲的分配, 少数载流子便从 CCD的一
端转移到最终端 。 终端的输出二极管搜集了少数载流子,
送入放大器处理, 便实现 电荷移动 。
2．线型 CCD图像传感器
线型 CCD图像传感器由一列光敏元件与一列 CCD并行
且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,
如图 4.4-4(a)所示 。 在每一个光敏元件上都有一个梳状公
共电极,由一个 P型沟阻使其在电气上隔开 。 当入射光照
射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚
集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成
正比 。 在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高 (平时
低电压 ),与 CCD对应的电极也同时处于高电压状态 。 然
后,降低梳状电极电压, 各光敏元件中所积累的光电电荷
并行地转移到移位寄存器中 。 当转移完毕,转移栅电压降
低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积
分周期 。 同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将
存储的电荷从 CCD中转移,由输出端输出 。 这个过程重复
地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形 。
目前, 实用的线型 CCD图像传感器为双行结构, 如
图 （ b） 所示 。 单, 双数光敏元件中的信号电荷分别转移
到上, 下方的移位寄存器中, 然后, 在控制脉冲的作用
下, 自左向右移动, 在输出端交替合并输出, 这样就形
成了原来光敏信号电荷的顺序 。
转移栅
光积分单元
不透光的电荷转移结构
光积分区
输出
转移栅
(a)
(b)
线型 CCD图像传感器
输出
3．面型 CCD图像传感器
面型 CCD图像传感器由感光区, 信号存储区
和输出转移部分组成 。 目前存在三种典型结构
形式, 如图所示 。
图 (a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄
存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路
将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上
，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极
管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像
信号。这种结构易于引起图像模糊。
二相驱动
视频输出
行
扫
描
发
生
器
输
出
寄
存
器
检波二极管
二相驱动
感光区
沟阻
P1
P2
P3
P1
P2
P3
P1
P2
P
3
感光区
存储区
析像单元
视频输出
输出栅
串行读出
面型 CCD图像传感器结构
(a)
(b)
图 （ b） 所示结构增加了具有公共水平方向
电极的不透光的信息存储区 。 在正常垂直回扫周
期内, 具有公共水平方向电极的感光区所积累的
电荷同样迅速下移到信息存储区 。 在垂直回扫结
束后, 感光区回复到积光状态 。 在水平消隐周期
内, 存储区的整个电荷图像向下移动, 每次总是
将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器,
该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信
号输出 。 当整帧视频信号自存储移出后, 就开始
下一帧信号的形成 。 该 CCD结构具有单元密度高,
电极简单等优点, 但增加了存储器 。
光栅报时钟
二相驱动
输出寄存器
检波二极管
视频输出
垂直转移
寄存器
感光区
二相驱动
(c)
图 (c)所示结构是用得最多的一种结构形式。
它将图 (b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一
列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。
在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开
，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫
周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上
移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信
号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形
成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但
单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
目前，面型 CCD图像传感器使用得越来越多，所能
生产的产品的单元数也越来越多，最多已达 1024× 1024
像元。我国也能生产 512× 320像元的面型 CCD图像传感
器。
三、光电耦合器
光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时
封装在一个外壳内组合而成的转换元件 。
绝缘玻璃
发光二极管
透明绝缘体 光敏三极管
塑料 发光二极管
光敏三极管
透明树脂
1,光电耦合器的结构
采用金属外壳和玻璃绝缘的结
构, 在其中部对接, 采用环焊
以保证发光二极管和光敏二极
管对准, 以此来提高灵敏度 。
(a)金属密封型 (b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结
构 。 管心先装于管脚上, 中间再
用透明树脂固定, 具有集光作用
,故此种结构灵敏度较高 。
2,光电耦合器的组合形式
光电耦合器的组合形式有多种, 如图 4.4-7所示 。
(a)
(b)
(c)
(d)
光电耦合器的组合形式
该形式结构简单、成本低，通常用
于 50kHz以下工作频率的装置内。
该形式采用高速开关管构成的高速光
电耦合器,适用于较高频率的装置中。
该组合形式采用了放大三极管构成的
高传输效率的光电耦合器，适用于直
接驱动和较低频率的装置中。
该形式采用功能器件构成的高速、高
传输效率的光电耦合器。
一、烟尘浊度监测仪
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一 。
为了消除工业烟尘污染, 首先要知道烟尘排放量,
因此必须对烟尘源进行监测, 自动显示和超标报
警 。 烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输
过程中的变化大小来检测的 。 如果烟道浊度增加,
光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加, 到
达光检测器的光减少, 因而光检测器输出信号的
强弱便可反映烟道浊度的变化 。
第五节 光电传感器的应用举例
平行
光源
光电
探测
放大
显示
刻度
校正
报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图
烟道
二、光电转速传感器
2
3
1
2
3
1
(a)
(b)
光电数字式转速表工作原理图
下图是光电数字式转速表的工作原理图。
图 (a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，
在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达
光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲
信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由
该脉冲频率决定。
在待测转速的轴上固
定一个涂上黑白相间
条纹的圆盘，它们具
有不同的反射率。当
转轴转动时，反光与
不反光交替出现，光
电敏感器件间断地接
收光的反射信号，转
换为电脉冲信号。
三、光电池应用
光电池主要有两大类型的应用,
?将光电池作光伏器件使用, 利用光伏作用直接将大阳能
转换成电能, 即太阳能电池 。 这是全世界范围内人们所
追求, 探索新能源的一个重要研究课题 。 太阳能电池已
在宇宙开发, 航空, 通信设施, 太阳电池地面发电站,
日常生活和交通事业中得到广泛应用 。 目前太阳电池发
电成本尚不能与常规能源竞争, 但是随着太阳电池技术
不断发展, 成本会逐渐下降, 太阳电池定将获得更广泛
的应用 。
?将光电池作光电转换器件应用, 需要光电池具有灵敏度
高, 响应时间短等特性, 但不必需要像太阳电池那样的
光电转换效率 。 这一类光电池需要特殊的制造工艺, 主
要用于光电检测和自动控制系统中 。
光电池应用举例如下,
1．太阳电池电源
太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、
调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载
供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系
统框图如图。
调节控制器
逆
变
器
交
流
负
载
太阳
电池
方阵
直
流
负
载
太阳能电池电源系统
阻塞二极管
2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时, 其基本原理
与光敏二极管相同, 但它们的基本结构和制造
工艺不完全相同 。 由于光电池工作时不需要外
加电压；光电转换效率高, 光谱范围宽, 频率
特性好, 噪声低等, 它已广泛地用于光电读出,
光电耦合, 光栅测距, 激光准直, 电影还音,
紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等 。
(a) 光电追踪电路
+12V
R4
R3
R6 R5 R2
R1
W BG1 BG2
图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路, 用两只性能相
似的同类光电池作为光电接收器件 。 当入射光通量相
同时, 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 。 当系
统略有偏差时, 电路输出差动信号带动执行机构进行
纠正, 以此达到跟踪的目的 。
光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路
BG2
BG1
+12V
C
J
R1
R2
(b) 光电开关
图 (b)所示电路为光电开关, 多用于自动控制系统
中 。 无光照时, 系统处于某一工作状态, 如通态或断态 。
当光电池受光照射时, 产生较高的电动势, 只要光强大
于某一设定的阈值, 系统就改变工作状态, 达到开关目
的 。
(c) 光电池触发电路
R1
R2 R3 R4 R5 R6
BG1
BG2
BG3 BG
4
C1
C2 C3
+12V
W
图 (c)为光电池触发电路 。 当光电池受光照
射时, 使单稳态或双稳态电路的状态翻转,
改变其工作状态或触发器件 (如可控硅 )导通 。
+12V
5G23
(d) 光电池放大电路
C3
-12V
W
R1
R2
R3
R4
R5 C1
C2 1 8
7 6
5
4
3
2
图 (d)为光电池放大电路 。 在测量溶液浓度, 物体色度
,纸张的灰度等场合, 可用该电路作前置级, 把微弱
光电信号进行线性放大, 然后带动指示机构或二次仪
表进行读数或记录 。
在 实 际 应 用
中, 主要利用光
电池的光照特性
,光谱特性, 频
率特性和温度特
性等, 通过基本
电路与其它电子
线路的组合可实
现或自动控制的
目的 。
220V
C1
路灯 CJD-10
8V
200μ F
200μ F
C2
C3
100μ F R1 R
3 R5
R7
R4
R6 R7
R2 J
470kΩ
200kΩ
10kΩ 4.3kΩ
BG1
280kΩ 25kΩ
57kΩ
10kΩ
路灯自动控制器
BG2
BG3
BG4
2CR
