4.1 光电效应和光电器件
外光电效应,
在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象 。
如光电管, 光电倍增管
内光电效应,
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象,
如光敏电阻等属于这类光电器件 。
阻挡层光电效应 (光生伏特效应 ),
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动
势的现象 。 如光电池, 光敏晶体管等
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光电效应和光电器件
4.1.1 光电管
4.1.2 光电倍增管
4.1.3 光敏电阻
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
4.1.5 光电池
4.1.6 光电式传感器的应用
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4,1,1 光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,
电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电
子流，在外电路中便产生了电流。
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真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性
充气光电管, 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高,
所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体
其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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4,1,2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小,
光电倍增管：放大光电流
组成：光电阴极 +若干倍增极 +阳极
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光电倍增管的结构 与工作原理
? 光电阴极 光电倍增极 阳极
倍增极上涂有 Sb-Cs或 Ag-Mg等光敏材料，并且
电位逐级升高。
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二
次电子发射 。
二次电子发射系数 σ =二次发射电子数／入射电子数
若倍增极有 n，则倍增率为 σn。
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4,1,3 光敏电阻
1,光敏电阻的工作原理及结构
2,光敏电阻的主要参数
3,光敏电阻的基本特性
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1,光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值 (暗电阻 )很大，电路中电流很小
当有光照时，光敏电阻值 (亮电阻 )急剧减少，电流迅速增加
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光敏电阻的结构
1.玻璃
2.光电导层
3.电极
4.绝缘衬底
5.金属壳
6.黑色绝缘玻璃
7.引线
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,
因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
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半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。
光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。
灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。
而且体积小、重量轻、性能稳定
梳
状
电
极
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2,光敏电阻的主要参数
（ 1） 暗电阻和暗电流
光敏电阻在室温条件下, 在全暗后经过一定时间
测量的电阻值, 称为暗电阻 。 此时流过的电流,
称为暗电流 。
（ 2） 亮电阻
光敏电阻在某一光照下的阻值, 称为该光照下的
亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流 。
（ 3） 光电流
亮电流与暗电流之差, 称为光电流 。
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3．光敏电阻的基本特性
（ 1） 伏安特性
（ 2） 光照特性
（ 3） 光谱特性
（ 4） 响应时间和频率特性
（ 5） 温度特性
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（ 1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；
在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。
光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,
耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
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（ 2）光照特性
? 光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件,
一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
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（ 3）光谱特性
? 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
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（ 4）响应时间和频率特性
? 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光
的变化，在时间上有一个滞后。
? 通常用响应时间 t表示。
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(ms)
光敏电阻的频率特性
? 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，
所以它们的频率特性也就不尽相同。
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（ 5）温度特性
? 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它
的暗电阻和灵敏度都下降。
硫化镉光敏电阻的温度特性
)%(1 0 0)( 1
212
12 ???
?
?? C
RTT
RR?
温度系数,
在一定光照下，温度每变化 1℃,
光敏电阻阻值的平均变化率
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温度对光谱特性影响
? 随着温度升高, 光谱响应峰值向短波方向移动 。 因此,
采取降温措施, 可以提高光敏电阻对长波光的响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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一、应用于电路的分析与计算
U
I
RG
RL
通常从等效电路和伏安特性曲
线进行基本的分析。如左图所
示。所以很明显应用光敏电阻
可以在低速（由响应时间和频
率特性决定） 用作开关电路。
如果要合理设计，那么就要综
合考虑前面介绍的光敏电阻的
各种特性。
基本分析电路
二、应用于器件的选取
如：应用它的光谱特性，对不同波长
的光选用不同的器件。
等等。
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
? 1,工作原理
? 2,基本特性
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1,工作原理
? 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中
在 电路中一般是处于反向工作状态 的
光敏二极管
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光敏晶体管
? 与一般晶体管很相似，具有两个 pn结。把光信
号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
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2,基本特性
（ 1）光谱特性
（ 2）伏安特性
（ 3） 光照特性
（ 4） 温度特性
（ 5） 频率响应
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（ 1）光谱特性
? 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性
可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。
在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
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（ 2）伏安特性
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硅
光
敏
管
的
伏
安
特
性
（ 3）光照特性
硅光敏管的光照特性
光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
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（ 4）温度特性
? 其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
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（ 5）频率响应
? 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的
光电流 (或负载上的电压 )随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
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例 1 光敏二极管 GG的联结和伏安特性如图所示。若光敏
二极管上的照度发生变化,L=（ 100+100·sinωt)lx，为
使光敏二极管上有 10V的电压变化，求所需的负载电阻 RL
和电源电压 E。 解：根据曲线，最大电压
与最大光照对应。并使它
工作在线性区域,我们取
200lx的拐点对应 2V，则
电源电压为,
伏安特性
连接电路
)(100.1
1010
212
t a n
1 6
6 ????
????
?AC
BC
a
R L
在电压轴上找到 12V的点，连接拐
点与该点的直线为 负载线 。拐点对
应的电流为 10微安。负载电阻为
)(12102 VE ???
4,1,5 光电池
? 有光线作用下实质上就是电源, 电路中有
了这种器件就不再需要外加电源 。
1,工作原理
2,基本特性
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1,工作原理
? 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面
积的 pn结。当光照射到 pn结上时，便在 pn结的两
端产生电动势 (p区为正,n区为负 ) 。
? 用导线将 pn结两端用导线连接起来, 就有电流流
过, 电流的方向由 P区流经外电路至 n区 。 若将电
路断开, 就可以测出光生电动势 。
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2,基本特性
(1) 光谱特性
(2) 光照特性
(3) 频率响应
(4) 温度特性
(5) 稳定性
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（ 1）光谱特性
? 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
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(2)光照特性
? 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的
光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
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光电池的短路电流
? 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下
的电流值。
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
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(3)频率响应
? 指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换
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(4)温度特性
? 开路电压和短路电流随温度变化的关系。
? 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性 (照度 1000lx)
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(5)稳定性
? 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用
合理时，光电池的性能是相当稳定的
硅光电池的性能比硒光电池更稳定
? 影响性能和寿命因素,
光电池的材料及制造工艺
使用环境条件
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BG2
BG1
+12V
C
J
R1
R2
图 1：光电开关
例,图 1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 。
I
U
RL
光电池的基本连接
电路
4,1,6 光电式传感器的应用
? 模拟式传感器
? 脉冲式传感器
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1,模拟式光电传感器
? 基于光电器件的光电流随光通量而发生变
化，是 光通量的函数 。
对于光通量的任意一个选定值, 对应的光
电流就有一个确定的值, 而光通量又随被
测非电量的变化而变化, 这样光电流就成
为被测非电量的函数 。
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光电比色高温计
1－物镜； 2－平面玻璃； 3－光阑； 4－光导棒； 5－分光镜；
6－滤光片； 7－硅光电池； 8－滤光片； 9－硅光电池；
10－瞄准反射镜； 11－圆柱反射镜； 12－目镜； 13－多夫棱镜
14,15－硅光电池负载电阻； 16－可逆电机； 17－电子电位差计
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2,脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态, 也就
是, 通, 与, 断, 的开关状态 。
光电器件受光照时, 有电信号输出, 光电
器件不受光照时, 无电信号输出 。 属于这
一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用
的光电传感器, 如测量线位移, 线速度,
角位移, 角速度 (转速 )的光电脉冲传感器等
等 。
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光电式数字转速表
60
Z T Nc ?
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外光电效应,
在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象 。
如光电管, 光电倍增管
内光电效应,
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象,
如光敏电阻等属于这类光电器件 。
阻挡层光电效应 (光生伏特效应 ),
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动
势的现象 。 如光电池, 光敏晶体管等
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光电效应和光电器件
4.1.1 光电管
4.1.2 光电倍增管
4.1.3 光敏电阻
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
4.1.5 光电池
4.1.6 光电式传感器的应用
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4,1,1 光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,
电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电
子流，在外电路中便产生了电流。
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真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性
充气光电管, 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高,
所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体
其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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4,1,2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小,
光电倍增管：放大光电流
组成：光电阴极 +若干倍增极 +阳极
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光电倍增管的结构 与工作原理
? 光电阴极 光电倍增极 阳极
倍增极上涂有 Sb-Cs或 Ag-Mg等光敏材料，并且
电位逐级升高。
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二
次电子发射 。
二次电子发射系数 σ =二次发射电子数／入射电子数
若倍增极有 n，则倍增率为 σn。
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4,1,3 光敏电阻
1,光敏电阻的工作原理及结构
2,光敏电阻的主要参数
3,光敏电阻的基本特性
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1,光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值 (暗电阻 )很大，电路中电流很小
当有光照时，光敏电阻值 (亮电阻 )急剧减少，电流迅速增加
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光敏电阻的结构
1.玻璃
2.光电导层
3.电极
4.绝缘衬底
5.金属壳
6.黑色绝缘玻璃
7.引线
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,
因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
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半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。
光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。
灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。
而且体积小、重量轻、性能稳定
梳
状
电
极
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2,光敏电阻的主要参数
（ 1） 暗电阻和暗电流
光敏电阻在室温条件下, 在全暗后经过一定时间
测量的电阻值, 称为暗电阻 。 此时流过的电流,
称为暗电流 。
（ 2） 亮电阻
光敏电阻在某一光照下的阻值, 称为该光照下的
亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流 。
（ 3） 光电流
亮电流与暗电流之差, 称为光电流 。
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3．光敏电阻的基本特性
（ 1） 伏安特性
（ 2） 光照特性
（ 3） 光谱特性
（ 4） 响应时间和频率特性
（ 5） 温度特性
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（ 1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；
在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。
光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,
耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
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（ 2）光照特性
? 光敏电阻的光电流与光强之间的关系
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件,
一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
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（ 3）光谱特性
? 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
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（ 4）响应时间和频率特性
? 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光
的变化，在时间上有一个滞后。
? 通常用响应时间 t表示。
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(ms)
光敏电阻的频率特性
? 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，
所以它们的频率特性也就不尽相同。
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（ 5）温度特性
? 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它
的暗电阻和灵敏度都下降。
硫化镉光敏电阻的温度特性
)%(1 0 0)( 1
212
12 ???
?
?? C
RTT
RR?
温度系数,
在一定光照下，温度每变化 1℃,
光敏电阻阻值的平均变化率
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温度对光谱特性影响
? 随着温度升高, 光谱响应峰值向短波方向移动 。 因此,
采取降温措施, 可以提高光敏电阻对长波光的响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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一、应用于电路的分析与计算
U
I
RG
RL
通常从等效电路和伏安特性曲
线进行基本的分析。如左图所
示。所以很明显应用光敏电阻
可以在低速（由响应时间和频
率特性决定） 用作开关电路。
如果要合理设计，那么就要综
合考虑前面介绍的光敏电阻的
各种特性。
基本分析电路
二、应用于器件的选取
如：应用它的光谱特性，对不同波长
的光选用不同的器件。
等等。
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
? 1,工作原理
? 2,基本特性
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1,工作原理
? 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中
在 电路中一般是处于反向工作状态 的
光敏二极管
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光敏晶体管
? 与一般晶体管很相似，具有两个 pn结。把光信
号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
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2,基本特性
（ 1）光谱特性
（ 2）伏安特性
（ 3） 光照特性
（ 4） 温度特性
（ 5） 频率响应
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（ 1）光谱特性
? 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性
可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。
在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
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（ 2）伏安特性
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硅
光
敏
管
的
伏
安
特
性
（ 3）光照特性
硅光敏管的光照特性
光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
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（ 4）温度特性
? 其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
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（ 5）频率响应
? 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的
光电流 (或负载上的电压 )随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
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例 1 光敏二极管 GG的联结和伏安特性如图所示。若光敏
二极管上的照度发生变化,L=（ 100+100·sinωt)lx，为
使光敏二极管上有 10V的电压变化，求所需的负载电阻 RL
和电源电压 E。 解：根据曲线，最大电压
与最大光照对应。并使它
工作在线性区域,我们取
200lx的拐点对应 2V，则
电源电压为,
伏安特性
连接电路
)(100.1
1010
212
t a n
1 6
6 ????
????
?AC
BC
a
R L
在电压轴上找到 12V的点，连接拐
点与该点的直线为 负载线 。拐点对
应的电流为 10微安。负载电阻为
)(12102 VE ???
4,1,5 光电池
? 有光线作用下实质上就是电源, 电路中有
了这种器件就不再需要外加电源 。
1,工作原理
2,基本特性
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1,工作原理
? 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面
积的 pn结。当光照射到 pn结上时，便在 pn结的两
端产生电动势 (p区为正,n区为负 ) 。
? 用导线将 pn结两端用导线连接起来, 就有电流流
过, 电流的方向由 P区流经外电路至 n区 。 若将电
路断开, 就可以测出光生电动势 。
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2,基本特性
(1) 光谱特性
(2) 光照特性
(3) 频率响应
(4) 温度特性
(5) 稳定性
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（ 1）光谱特性
? 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
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(2)光照特性
? 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的
光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
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光电池的短路电流
? 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下
的电流值。
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
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(3)频率响应
? 指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换
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(4)温度特性
? 开路电压和短路电流随温度变化的关系。
? 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性 (照度 1000lx)
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(5)稳定性
? 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用
合理时，光电池的性能是相当稳定的
硅光电池的性能比硒光电池更稳定
? 影响性能和寿命因素,
光电池的材料及制造工艺
使用环境条件
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BG2
BG1
+12V
C
J
R1
R2
图 1：光电开关
例,图 1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 。
I
U
RL
光电池的基本连接
电路
4,1,6 光电式传感器的应用
? 模拟式传感器
? 脉冲式传感器
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1,模拟式光电传感器
? 基于光电器件的光电流随光通量而发生变
化，是 光通量的函数 。
对于光通量的任意一个选定值, 对应的光
电流就有一个确定的值, 而光通量又随被
测非电量的变化而变化, 这样光电流就成
为被测非电量的函数 。
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光电比色高温计
1－物镜； 2－平面玻璃； 3－光阑； 4－光导棒； 5－分光镜；
6－滤光片； 7－硅光电池； 8－滤光片； 9－硅光电池；
10－瞄准反射镜； 11－圆柱反射镜； 12－目镜； 13－多夫棱镜
14,15－硅光电池负载电阻； 16－可逆电机； 17－电子电位差计
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2,脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态, 也就
是, 通, 与, 断, 的开关状态 。
光电器件受光照时, 有电信号输出, 光电
器件不受光照时, 无电信号输出 。 属于这
一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用
的光电传感器, 如测量线位移, 线速度,
角位移, 角速度 (转速 )的光电脉冲传感器等
等 。
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光电式数字转速表
60
Z T Nc ?
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