（1）光电管

光电管是外光电效应器件，有真空光电管和充气光电管两类，两者结构类似。真空光电管的结构如图3.46所示。在一个抽成真空的玻璃泡内装有两个电极：一个是光电阴极，另一个是光电阳极。光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料，如铯，涂覆在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上时便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路中就产生电流。在外电路中串入一定阻值的电阻，则在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现光电转换。

图3.46　真空光电管结构及外接电路

1—光电阳极；2—光电阴极

光导管的特性主要取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料的主要特性的主要参数有频谱灵敏度、红限和逸出功。如银氧铯（Ag⁃Cs2O）阴极在整个可见光区域都有一定的灵敏度，其频谱灵敏度曲线在近紫外光区（350 nm）和近红外光区（750～800 nm）分别有两个峰值，因此，常用来作为红外光传感器。它的红限约为700 nm，逸出功约0.74 eV，是所有光电阴极材料中最低的。

真空光电管的主要特性如下：

①光电特性

真空光电管的光电特性指的是在工作电压和入射光的频率成分恒定条件下，光电管接收的入射光通量值与其输出光电流之间的比例关系。氧铯光电阴极的光电管在很宽的入射光通量范围内都有良好的线性度，在光测量中获得广泛应用。

②伏安特性

光电管的伏安特性指的是在恒定的入射光频率成分和强度条件下光电管光电流与阳极电压之间的关系。光通量一定时，当阳极电压增加时，光电流趋于一定值（饱和），光电管的工作点一般选在该区域中。

光电管的其他参数还有频谱特性、频率响应、噪声、热稳定性、暗电流等。

（2）光电倍增管

光电倍增管在光电阴极和阳极之间装有若干个“倍增极”，也称“次阴极”，如图3.47（a）所示。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反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。常用光电倍增管的基本电路如图3.47（b）所示。各倍增极电压由电阻分压获得，流经负载电阻RA的放大电流造成的压降，便得到了输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为1 000～2 000V，两个相邻倍增电极的电位差为50～100V。电压越稳定，由于倍增系数的波动引起的测量误差就越小。

图3.47　光电倍增管的结构及电路

1—阴极；2—第二倍增极；3—第四倍增极；
4—阳极；5—第三倍增极；6—第一倍增极

光电倍增管主要用于光线微弱，光电管产生的光电流很小的情况，采用光电倍增管可提高光电管的灵敏度。但是，由于光电倍增管的灵敏度高，因此不能接受强光刺激，否则易于损坏。

（3）光敏电阻

光敏电阻是内光电效应器件。光敏电阻又称光导管，它的工作原理基于光电导效应。某些半导体受到光照时，如果光照能量hv大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子⁃空穴对，这就降低了材料的电阻率，增强了材料的导电性能。电阻值的大小随光照的增强而降低，并且当光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来的值。

利用光敏电阻制成的光导管结构如图3.48所示。这种光导管是在半导体光敏材料薄膜或晶体两端接上电极引线组成。接上电源后，当光敏材料受到光照时，阻值发生改变，与之相连的电阻端便有电信号输出。

光敏电阻的特点是灵敏度高，光谱响应范围宽，可从紫外光一直到红外光，体积小，性能稳定，可广泛用于测试技术。

光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不一样，如硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）适用于可见光（0.4～0.75μm）的范围，氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）适用于紫外光线范围，硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）适用于红外光线范围。

图3.48　光导管结构

1—电极；2—半导体薄膜；3—绝缘底座

光敏电阻的主要特性参数如下：

1）光电流、暗电阻、亮电阻

光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为“暗电阻”，此时流过的电流称为“暗电流”；光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的电阻值称为“亮电阻”，此时流过的电流称为“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。一般希望光敏电阻的暗电阻大、亮电阻小，这样暗电流小、亮电流大，相应的光电流也大。光敏电阻的暗电阻一般很高，为兆欧量级，而亮电阻则在千欧以下。

2）光照特性

光敏电阻的光电流与光通量之间的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。图3.49显示了硫化镉（CdS）光敏电阻的光照特性。一般来说，光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，不同材料的光照特性也不相同。

3）伏安特性

伏安特性指的是在一定的光照下，光敏电阻两端所施加的电压与光电流之间的关系。图3.50给出了某光敏电阻分别在照度为零和照度为某值下的伏安特性。由图3.50可知，当给定偏压时，光照度越大，光电流也越大。而在一定的照度下，所加电压越大，光电流也越大，且无饱和现象。但电压实际上会受到光敏电阻额定功率和额定电流的限制，因此不可能无限制地增加。

图3.49　硫化镉光敏电阻光照特性曲线

图3.50　光敏电阻的伏安特性　(www.daowen.com)

1—照度为零时的伏安特性；2—照度为某值的伏安特性

4）光谱特性

对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不同的。光敏电阻的光谱特性主要与材料性质、制造工艺有关。如硫化镉光敏电阻随着掺铜浓度的增加其光谱峰值从500nm移至640nm；硫化铅光敏电阻随着材料薄层的厚度减小其光谱峰值朝短波方向移动。因此，在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑。

5）响应时间特性

光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，通常用时间常数来描述这种响应特性。光敏电阻的时间常数定义为当光敏电阻的光照停止后光电流下降至初始值的63％所需要的时间。不同的光敏电阻的时间常数不同，如图3.51所示。

6）光谱温度特性

光敏电阻的光学与化学性质受温度影响，温度升高，暗电流和灵敏度下降。温度的变化也影响到光敏电阻的光谱特性。图3.52给出了硫化铅光敏电阻在不同温度下其相对灵敏度Kr随入射光波长的变化情况。由图3.52可知，当温度从－20℃变化到20℃时，硫化铅光敏电阻的Kr曲线的峰值，即相对灵敏度朝短波方向移动。因此，有时为了提高光敏电阻对较长波长光照（如远红外光）的灵敏度，要采用降温措施。

图3.51　光敏电阻的时间响应特性

图3.52　硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

（4）光电池

光电池是基于光生伏打效应工作的，也称硅太阳电池，它能直接将光能转换为电能。制造光电池的材料主要有硅、硒、锗、砷化镓、硫化镉、硫化铊等。其中，硅光电池的光电转化率高、性能稳定、光谱范围宽、价格便宜，因此应用最广。

光电池的结构如图3.53所示。光电池的核心部分是一个PN结。在厚为0.3～0.5mm的单晶硅片（如P型硅片）表面做一层薄的反型层（如用扩散法形成N型层）即做成PN结，再用引线将P型和N型硅片引出形成正、负极并在上表面敷上减反射膜，如此便形成了一个光电池。当光电池受到光辐射时，在两极间接上负载便会有电流流过。

图3.53　光电池结构示意图

1—正面电极（－）；2—减反射膜；3—N型扩散层；
4—P型扩散层；5—背面电极（＋）

光电池轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。在不能铺设电缆的地方都可采用光电池，特别适合为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。

（5）光敏晶体管

光敏晶体管可分为光敏二极管和光敏晶体管。光敏二极管结构原理如图3.54所示。光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在电路中一般处于反向工作状态。无光照时，暗电流很小；有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附近产生电子⁃空穴对，它们在内电场作用下定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此，无光照时，光敏二极管处于截止状态，有光照时，光敏二极管导通。

光敏晶体管结构与一般晶体三极管相似，有NPN型和PNP型两种，如图3.55所示。与普通晶体管相比，光敏晶体管的基区做得很大，以便扩大光照面积。光敏晶体管的基极一般不接引线，当集电极加上相对于发射极为正的电压时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射到集电极附近的基区，会产生电子空穴对，它们在内电场作用下形成光电流，这相当于晶体管的基极电流，因此，集电极的电流为光电流的β倍，故光敏晶体管的灵敏度要高于光敏二极管。

图3.54　光敏二极管结构及连接电路

图3.55　光敏晶体管结构及连接电路

光敏晶体管的基本特性如下：

1）光照特性

光敏二极管特性曲线的线性度要好于光敏晶体管，这与三极管的放大特性有关。

2）伏安特性

在不同的照度下，光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性曲线和一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样，并且光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管的光电流大数百倍。由于光敏二极管的光生伏打效应使得光敏二极管即使在零偏压时仍有光电流输出。

3）光谱特性

当入射波长增加时，光敏晶体管的相对灵敏度下降，这是由于光子能量太小，不足以激发电子⁃空穴对。而当入射波长太短时，灵敏度也会下降，这是由于光子在半导体表面激发的电子⁃空穴对不能到达PN结的缘故。

4）温度特性

光敏晶体管的暗电流受温度变化的影响较大，而光电流受温度变化影响较小，使用时应考虑温度因素的影响，采取补偿措施。

5）响应时间

光敏晶体管的输出与光照之间有一定的响应时间。一般锗管的响应时间为2×10－4s左右，硅管为1×10－5s左右。