基于内光电效应的光电元件

1.光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：

①暗电阻：光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。

②亮电阻：光敏电阻置于室温、一定光照条件下的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

③伏安特性：光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图10－3所示。从图10－3中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

④光电特性：光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

⑤光谱特性：入射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。

⑥响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间 （上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间 （下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间为10－3～10－1s，即频率响应为10～1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。

图10－3 光敏电阻的伏安特性

① 光照度单位，勒克斯。

⑦温度特性：光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。

2.光敏晶体管

（1）概述

这里的光敏晶体管指的是光敏二极管和光敏三极管。它们的工作原理也是基于内光电效应。

光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，如图10－4（b）所示。在图10－4（a）中给出光敏二极管的结构示意图及符号，图10－4（b）中给出的是光敏二极管的接线图，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时光敏二极管处于导通状态。

图10－4 光敏二极管

（a）结构示意图及符号；（b）接线图

光敏三极管有PNP型和NPN型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图10－5所示。光敏三极管的工作原理是由光敏二极管与普通三极管的工作原理组合而成。如图10－5（b）所示，光敏三极管在光照作用下，产生基极电流，即光电流，与普通三极管的放大作用相似，在集电极上则产生是光电流β倍的集电极电流，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

图10－5 光敏三极管

（a）结构；（b）等效电路；（c）图形符号；（d）应用电路；（e）达林顿型光敏三极管

有时生产厂家还将光敏三极管与另一只普通三极管制作在同一个管壳里，连接成复合管形式，如图10－5（e）所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（β＝β1β2），但达林顿型光敏三极管的漏电流 （暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。

（2）光敏晶体管的基本特性

①光谱特性：光敏晶体管硅管的峰值波长为0.9μm左右，锗管的峰值波长为1.5μm左右。由于锗管的暗电流比硅管大，因此，一般来说，锗管的性能较差，故在可见光或探测炽热状态物体时，都采用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为合适。

②伏安特性：图10－6所示为锗光敏三极管的伏安特性曲线。光敏三极管在不同照度EC下的伏安特性，就像一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的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成一般的三极管。

③光电特性：光敏晶体管的输出电流IC和光照度EC之间的关系可近似地看作线性关系。

④温度特性：锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定，而暗电流随温度变化很大。因此，应用时必须在线路上采取措施进行温度补偿。

图10－6 锗光敏三极管的伏安特性曲线

⑤响应时间：硅和锗光敏二极管的响应时间分别为10－6s和10－4s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此，在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用硅光敏二极管较合适。

3.光控晶闸管

（1）概述

光控晶闸管是一种利用光信号控制的开关器件，它的伏安特性和普通晶闸管相似，只是用光触发代替了电触发。光触发与电触发相比，具有下述优点：

①主电路与控制电路通过光耦合可以抑制噪波干扰。

②主电路与控制电路相互隔离，容易满足对高压绝缘的要求。

③使用光控晶闸管，不需要晶闸管门极触发脉冲变压器等器件，从而可使质量减轻、体积减小、可靠性提高。

由于光控晶闸管具有独特的光控特性，已作为自动控制元件而广泛用于光继电器，自控、隔离输入开关，光计数器，光报警器，光触发脉冲发生器，液位、料位、物位控制等方面，大功率光控晶闸管元件主要用于大电流脉冲装置和高压直流输电系统。

（2）光控晶闸管的结构

从内部结构看，光控晶闸管与普通晶闸管基本相同。通常，小功率光控晶闸管元件只有两个电极，即阳极 （A）和阴极 （K）。大功率光控晶闸管元件，除有阳极和阴极外，还带有光导纤维线 （光缆），光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。一般小功率光控晶闸管是没有控制极的。如果将控制极引出，就可以做成一个光、电两用的晶闸管。当在控制极和阴极之间加上一定的触发正电压，也可使光控晶闸管导通；当所加正电压不够高时，虽然不能使光控晶闸管导通，但可以提高它的光触发灵敏度。

（3）光控晶闸管的特性参数

光控晶闸管的一般参数的意义与普通晶闸管相同，触发参数是光控晶闸管所特有的。

①伏安特性：光控晶闸管的伏安特性曲线形状与普通晶闸管的相同。如果使加有正向电压的光控晶闸管元件受不同强度光的照射，则光控晶闸管的转折电压将随着光照强度的增大而降低。

②触发光功率：加有正向电压的光控晶闸管由阻断状态转变成导通状态所需的输入光功率称为触发光功率，其值一般为几毫瓦到十几毫瓦。

③光谱响应范围：光控晶闸管只对一定波长范围的光敏感，超出该波长范围，再强的光也不能使它导通。光控晶闸管元件的光谱响应范围在0.55～1.0μm，峰值波长约为0.85μm。用于触发光控晶闸管的光源，有Nd、YAG激光器，Ga As发光二极管和激光二极管。对小功率光控晶闸管元件，可根据具体情况选用合适波长的光源，如白炽灯、太阳光等。

④触发方式：光控晶闸管的光触发方式有两种，即直接式和间接式。直接触发方式适合小功率光控晶闸管元件，也可以不用光缆传送光信号，让光源靠近光控晶闸管进行照射触发，或者把发光二极管与光控晶闸管组装在一起组成光电耦合开关。直接触发方式的优点是电路简单、噪声低、可靠性高。间接触发方式利用光电转换电路把光信号变成电信号，然后用此电信号去触发晶闸管或先用信号触发小电流的高压光控晶闸管元件，然后再用此小电流元件去触发普通快速高压大功率晶闸管元件。这种间接触发方式的优点是可靠性高，其缺点是配合使用的电路复杂。