8.3 常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光电器件两类。
8.3.1 外光电效应及器件
在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。
根据爱因斯坦假设:一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限ν0（或波长限λ0），称为“红限”，不同金属光电效应的红限见表8-2。当入射光的频率低于ν0时（或波长大于λ0），不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于ν0时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得:
式中，c——光速。
外光电效应从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过10-9s。
基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。
表8-2 光电效应的红限
光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，如图8-3所示。光阴极有多种形式:①在玻璃管内壁涂上阴极涂料即成；②在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成。阳极为置于光电管中心的环形金属板或置于柱面中心线的金属柱。
图8-3 光电管
光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则该电阻上将产生正比于空间电流的电压降，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。
如果在玻璃管内充入惰性气体（如氩、氖等）即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。
图8-4 光电倍增管
光电管的主要特点是:结构简单，灵敏度较高（可达20～220μA/lm），暗电流小（最低可达10-14A），体积比较大，工作电压高达几百伏到数千伏，玻壳容易破碎。
光电倍增管的结构如图8-4所示。在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。光电倍增管的主要特点是:光电流大，灵敏度高，其倍增率为N＝δn，其中δ为单极倍增率（3～6），n为倍增极数（4～14）。
8.3.2 内光电效应及器件
图8-5 半导体能带图
光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生光电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽度ΔEg（图8-5）才能产生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波长λ0＝1293/ΔEg（nm）。通常纯净半导体的禁带宽度为1eV左右。例如锗的ΔEg＝0.75 eV，硅的ΔEg＝1.2eV。
内光电效应按其工作原理可分为两种:光电导效应和光生伏特效应。
图8-6 光敏电阻的工作原理
1.光电导效应及器件
半导体受到光照时会产生光生电子空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。
（1）光敏电阻 光敏电阻是一种电阻器件，其工作原理如图8-6所示。使用时，可加直流偏压（无固定极性），或加交流电压。
光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子-空穴对较少，无光照时的电阻（暗电阻）较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。光敏电阻常用的半导体有硫化镉（CdS，禁带宽度Eg＝2.4eV）和硒化镉（CdSe，禁带宽度Eg＝1.8eV）等。
为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，如图8-7。为了减小潮湿对灵敏度的影响，光敏电阻必须带有严密的外壳封装，如图8-8所示。光敏电阻灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用广泛。
图8-7 光敏电阻梳状电极
图8-8 金属封装的CdS光敏电阻
（2）光敏二极管 PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图8-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子-空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图8-9 光电二极管原理图
图8-10 光电三极管原理图
（3）光敏三极管 它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图8-10。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。
光敏二极管和三极管均用硅或锗制成。由于硅器件暗电流小、温度系数小，又便于用平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因此硅光敏器件比锗光敏器件更为普遍。
光敏二极管和三极管使用时应注意保持光源与光敏管的合适位置（见图8-11）。因为只有在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的某一方位（取决于透镜的对称性和管芯偏离中心的程度），入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光敏管的灵敏度才最大。为避免灵敏度变化，使用中必须保持光源与光敏管的相对位置不变。
图8-11 入射光方向与管壳轴线夹角示意图
图8-12 PN结光生伏特效应原理图
2.光生伏特效应及器件
光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图8-12所示。当光照射到结区时，光照产生的电子-空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。
光电池与外电路的连接方式有两种（图8-13）:一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流（IL），其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于1000lx时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。
图8-13 光电池的开路电压输出
（a）和短路电流输出（b）
硅光电池是用单晶硅制成的。在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质，从而形成一个大面积PN结，P层极薄能使光线穿透到PN结上。硅光电池也称硅太阳能电池，为有源器件。它轻便、简单，不会产生气体污染或热污染，特别适用于宇宙飞行器作仪表电源。硅光电池转换效率较低，适宜在可见光波段工作。
8.3.3 光电器件的特性
光电传感器的光照特性、光谱特性以及峰值探测率、响应时间等几个主要参数，都取决于光电器件的性能。为了合理选用光电器件，有必要对其主要特性，作一简要介绍。
1.光照特性
光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流（光电压）之间的关系。
光敏电阻的光照特性呈非线性，且大多数如图8-14（a）所示。因此不宜作线性检测元件，但可在自动控制系统中用作开关元件。
图8-14 光电器件的光照特性
（a）光敏电阻；（b）光敏二极管；（c）硅光电池
光敏晶体管的光照特性如图8-14（b）所示。它的灵敏度和线性度均好，因此在军事、工业自动控制和民用电器中应用极广，既可作线性转换元件，也可作开关元件。
光电池的光照特性如图8-14（c）所示。短路电流在很大范围内与光照度成线性关系。开路电压与光照度的关系呈非线性，在照度2000lx以上即趋于饱和，但其灵敏度高，宜用作开关元件。光电池作为线性检测元件使用时，应工作在短路电流输出状态。由实验知，负载电阻愈小，光电流与照度之间的线性关系愈好，且线性范围愈宽。对于不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内使光电流与光照度保持线性关系。故用光电池作线性检测元件时，所用负载电阻的大小应根据光照的具体情况而定。
光照特性常用响应率R来描述。对于光生电流器件，输出电流Ip与光输入功率Pi之比，称为电流响应率RI，即
对于光生伏特器件，输出电压Vp与光输入功率Pi之比，称为电压响应率RV，即
2.光谱特性
光电器件的光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长λ之间的关系，又称光谱响应。
光敏晶体管的光谱特性如图8-15（a）所示。由图可知，硅的长波限为1.1μm，锗为1.8μm，其大小取决于它们的禁带宽度。短波限一般在0.4～0.5μm附近。这是由于波长过短，材料对光波的吸收剧增，使光子在半导体表面附近激发的光生电子-空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。硅器件灵敏度的极大值出现在波长0.8～0.9μm处，而锗器件则出现在1.4～1.5μm处，都处于近红外光波段。采用较浅的PN结和较大的表面，可使灵敏度极大值出现的波长和短波限减小，以适当改善短波响应。
光敏电阻和光电池的光谱特性如图8-15（b）和8-15（c）所示。
图8-15 光电器件的光谱特性
（a）光敏晶体管；（b）光敏电阻；（c）光电池
由光谱特性可知，为了提高光电传感器的灵敏度，对于包含光源与光电器件的传感器，应根据光电器件的光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。对于被测物体本身可作光源的传感器，则应按被测物体辐射的光波波长选择光电器件。
3.响应时间
光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。
光敏电阻的响应时间一般为10-1～10-3s，光敏晶体管约为2×10-5s，光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一个数量级，硅管比锗管高一个数量级。
图8-16为光敏电阻、光电池及硅光敏三极管的频率特性。
图8-16 光电器件的频率特性
（a）光敏电阻；（b）光电池；（c）硅光敏三极管
4.峰值探测率
峰值探测率源于红外探测器，后来沿用到其他光电器件。无光照时，由于器件存在着固有的散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声，光探测器件将产生输出。这一噪声输出常以噪声等效功率PNE表征。PNE定义为:产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信号噪声比为1的辐射功率值。PNE与光敏器件的有效光敏面积A和探测系统带宽Δf有关，而且是平方律关系。因此探测器件的性能常用峰值探测率D表征，D值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。即
光电二极管的暗电流是反向偏置饱和电流，而光敏电阻的暗电流是无光照时偏置电压与体电阻之比。一般以暗电流产生的散粒噪声计算器件的PNE［39］:
式中，q——电子电荷（1.6×10-19C）；
ID——暗电流（A）；
RI——电流响应率（A·W-1）。
图8-17 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
5.温度特性
温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。图8-17为硫化铅（PbS）的光谱温度特性。由图可见光谱响应峰值随温度升高而向短波方向移动。因此，采取降温措施，往往可以提高光敏电阻对长波长的响应。
在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工作。
6.伏安特性
在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系称为伏安特性。它是传感器设计时选择电参数的依据。使用时应注意不要超过器件最大允许的功耗。
限于篇幅，本书不可能一一介绍各种光电器件的性能，读者可参阅有关手册。
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