8.2.2 光敏二极管的基本应用电路
太阳光是我们生活中常见的光线，它可以看成是一种电磁波。光具有波粒二象性，波动性是指以光速运动，干涉、衍射；粒子性是指具有一定的质量和能量的粒子，光可以看作是以光速
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光电式传感器 太阳光是我们生活中常见的光线，它可以看成是一种电磁波。光具有波粒二象性，波动性是指以光速运动，干涉、衍射；粒子性是指具有一定的质量和能量的粒子，光可以看作是以光速运动的粒子流。 关于光的相关单位，常用的有光通量和光照强度。光通量是指光源单位时间内所辐射的光能，单位是流明（lm）；光照强度（照度）是指物体被照明的程度，单位是勒克斯（lx）。
光电式传感器是将光电元件作为转换元件，将被测非电量转换为光量的变化，再将光量的变化转换成电量的传感器，在日常生活中有着广泛的应用。光电式传感器包括以光电效应为原理的光电器件，色彩类型的传感器，图像类型的传感器，其中图像传感器现在广泛应用在手机、数码相机、DV等电子产品中。 8.1 光电效应与光电元件 当光照射在某一物体上时，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子轰击，组成这种物体的材料吸收了光子能量而发生相应电效应的现象（如发射光电子、电导率变化、产生电动势等）称为光电效应。 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子被称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：
8.1.1 光电效应 1.外光电效应 1905 年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 在光线作用下，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。向外发射的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
2.内光电效应 内光电效应是指在光线的作用下使物体的电阻率发生改变的光电效应。常见的基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。 3.光生伏特效应 光生伏特效应是指在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象，如图8-2所示。常见的基于光生伏特效应的光电元件有光电池。
8.1.2 光电元件 1.基于外光电效应的光电元件 （1）光电管 不同材料的逸出功是不同的，所以不同材料的光电阴极受到不同频率的入射光作用时有着不同的反应，实际使用中要根据检测对象是可见光还是紫外光而选择相对应的光电阴极材料。光电管可分为真空光电管和充气光电管，两者结构相似，其结构示意图如图8-3所示。 光电管的工作原理：当光电阴极受到适当波长的光线（紫外线）照射时就会发射电子，发射出来的电子被带正电位的阳极所吸引，在（紫外）光电管内形成了电子流，而在外电路中便产生了电流。如图8-4所示为光电管符号及测量电路。
（2）光电倍增管 **光电倍增管的作用是放大光电流，由光电阴极K、若干倍增极、阳极A组成。**在光电倍增管的阴极K与阳极A之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、……它们又依次被称为第1倍增极、第2倍增极……相邻的两个电极之间通常加上100V左右的电压，这个电位会逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之间的差值一般在600～1200V之间。光电倍增管的结构如图8-5所示。
2.基于内光电效应的光电元件 （1）光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是利用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时加直流电压和交流电压均可。如图8-6所示为光敏电阻的内部结构。 当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般都在兆欧级，亮电阻都在几千欧以下。半导体吸收光子而产生光电效应的过程只限于发生在光照的表面层，所以光敏电阻的电极一般采用梳状结构，这样可以提高光敏电阻的灵敏度，如图8-7所示。
2）光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似，内部也是一个PN结。如图8-8所示，在透明玻璃外壳中，PN结安装在管的顶部，便于直接受到光照射。
光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，如图8-10所示。 如图8-11 所示，在没有受到光照射时，反向电阻很大，反向电流就很小，此时的电流通常被称为暗电流；当光照射在PN结上时，光子作用在PN结的附近，光子能量传递给电子和空穴，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，导致P区和N区的少数载流子的浓度增加，在外加反向电压的作用下作定向运动，形成了光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态；受光照射时，处于导通状态。
（3）光敏三极管 光敏三极管由两个PN结组成，与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。如图8-12所示，多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正、负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。
大多数光敏三极管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时，就会在集电结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴光电器件应用，导致基极与发射极间的电压升高，使大量电子由发射极经过基区流向集电极运动，其中少量电子与基区空穴复合从而形成光生电流，相当于三极管的基极电流，而大部分流向集电极形成集电极电流即光电流，因此光电流是光生电流的β倍，所以光敏三极管有放大作用。如图8-13所示为光敏三极管的结构及基本电路。
3.基于光生伏特效应的光电元件 在N型衬底上覆盖一层P型材料作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。如图8-14所示，当入射光子的能量足够大时，P型材料每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对在越靠近光的区域浓度越大，因此造成P型材料内部的扩散运动，光生电子-空穴对通过扩散运动到达PN结附近，在内电场的作用下，电子被拉到N区，空穴留在P区，所以导致N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经过短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。
4.光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件和光敏元件组成、以光作为媒介传递信号的光电器件。发光元件通常是半导体的发光二极管，光敏元件通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器、用于检测有无物体的光电开关和光电续断器。 （1）光电耦合器 光电耦合器的结构如图8-15所示，当发光二极管发射光时，光敏三极管导通输出信号，实际上它是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和信号的单向传输功能，在电路隔离、电平转换、无触点开关及固态继电器等场合广泛使用。
（2）光电开关 光电开关是利用光敏元件对处于变化的入射光接收，然后光电转换，再进行放大和控制，最终获得“开”、“关”信号的器件。如图8-16为光电开关的结构。光电开关的特点是体积小、反应快、非接触检测，而且容易与TTL、MOS等电路结合。
光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装等领域。在自控系统中可用作物体检测、料位检测、尺寸控制、产品计数、安全报警等。 （3）光电续断器 光电续断器的工作原理与光电开关相同，其光电发射元件、接收元件安装在一个体积很小的塑料壳体中，所以发射元件和接收元件能可靠地对准。光电续断器通常分为遮断型和反射型两种，如图8-17所示。
8.2 光电元件的基本应用电路 8.2.1 光敏电阻的基本应用电路
8.2.2 光敏二极管的基本应用电路
8.2.3 光敏三极管的基本应用电路
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