10.1光电效应及光电元件
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2011-4-20 3
紫外管外形
当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时， 阴极板上时，电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面， 出金属表面，形 成电子发射。 成电子发射。紫 外管多用于紫外 线测量、 线测量、火焰监 测等。 测等。
2011-4-20
紫外线
4
（2）内光电效应：在光线的作用下能使 ）内光电效应： 物体的电阻率改变的光电效应。 物体的电阻率改变的光电效应。 基于内光电效应光电元件：光敏电阻、 基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
2011-4-20 7
2011-4-20
8
光敏电阻的特性和参数 置于室温、 （1）暗电阻 置于室温、全暗条件下测 ） 得的稳定电阻值称为暗电阻， 得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于 1M 。光敏电阻受温度影响甚大，温度上 光敏电阻受温度影响甚大， 暗电阻减小，暗电流增大， 升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下 这是光敏电阻的一大缺点。 降，这是光敏电阻的一大缺点。 （2）光电特性 在光敏电阻两极电压固定 ） 不变时， 不变时，光照度与电阻及电流间的关系称 为光电特性。 为光电特性。
2011-4-20
5
1、光敏电阻
内光电效应： 内光电效应：当光敏电阻 受到光照时， 阻值减小。 受到光照时， 阻值减小。
2011-4-20
6
光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 照时， 电子—空穴 电子 空穴 对增加，阻 对增加， 值减小， 值减小，电 流增大。 流增大。 暗电流（越小越好） 暗电流（越小越好）
第十章
光电传感器
本章学习光电效应、光电元件 本章学习光电效应、 的结构、工作原理、特性以及光电 的结构、工作原理、 传感器的各种应用， 传感器的各种应用，掌握光电开关 及光电断续器的使用方法。 及光电断续器的使用方法。
2011-4-20
1
1905年德国物 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， 光电发射效应，并 为此而获得1921年 为此而获得 年 诺贝尔物理学奖。 诺贝尔物理学奖。
型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感 在N型衬底上制造一薄层 型层作为光照敏感 型衬底上制造一薄层 就构成最简单的光电池。 面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足 够大时， 型区每吸收一个光子就产生一对光生电 够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电 空穴对， 光生电子—空穴对的的扩散运动使 子—空穴对， 光生电子 空穴对的的扩散运动使 空穴对 电子通过漂移运动被拉到N型区 空穴留在P区 漂移运动被拉到 型区， 电子通过漂移运动被拉到 型区，空穴留在 区， 所以N区带负电 区带负电， 区带正电 如果光照是连续的， 区带正电。 所以 区带负电，P区带正电。如果光照是连续的， 经短暂的时间， 结两侧就有一个稳定的光生电 经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电 动势输出。 动势输出。
2011-4-20
11
150lx是教育部门要求所有学校课堂桌 是教育部门要求所有学校课堂桌 面所必须达到的标准照度。 面所必须达到的标准照度。 用照度计测量：距离为 时 用照度计测量：距离为2m时，15W白 白 炽灯的照度为50lx； 炽灯的照度为50lx；节能台灯的照度 为2000lx；阴天靠窗的照度为 ；阴天靠窗的照度为2000lx； ； 太阳光直接照射的照度为10000～ 太阳光直接照射的照度为 ～ 40000lx。 。
2011-4-20 14
光敏二极管的反向偏置接 参考上页图） 线（参考上页图）及光电特性 演示
在没有光照时， 在没有光照时，由于二 极管反向偏置， 极管反向偏置，反向电流 暗电流）很小。 （暗电流）很小。
光照
—
UO
+
光敏二 光敏二 极管的 反向偏 置接法
2011-4-20
当光照增加 光电流I 时，光电流 Φ 与光照度成正 比关系。 比关系。 15
在没有光照时， 在没有光照时，由 于二极管反向偏置， 于二极管反向偏置，所 反向电流很小， 以反向电流很小，这时 的电流称为暗电流， 的电流称为暗电流，相 当于普通二极管的反向 饱和漏电流。 饱和漏电流。当光照射 在二极管的PN PN结 在二极管的PN结（又称 耗尽层）上时， PN结 耗尽层）上时，在PN结 附近产生的电子附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加， 对数量也随之增加，光 电流也相应增大， 电流也相应增大，光电 流与照度成正比。 流与照度成正比。
2011-4-20
12
内光电） 2、光敏二极管 （内光电）
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方， 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子 空穴 结时， 结时 电子-空穴 对数量增加， 对数量增加，光电流 与照度成正比。 与照度成正比。
2011-4-20
13
光敏二极管的反向偏置接法 光敏二极管的反向偏置接法
2011-4-20 22
光电池外形 光电池外形
光敏面
2011-4-20
23
能提供较大电流的 大面积光电池外形 大面积光电池外形
2011-4-20
24
光电池在动力方面的应用
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板 太阳能电动机模型
2011-4-20
25
光电池在动力方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
PIN光电二极管 光电二极管
PIN光电二极管是在 区和 区之间插入一层电阻 光电二极管是在P区和 光电二极管是在 区和N区之间插入一层电阻 率很大的I层 从而减小了PN结的电容 结的电容， 率很大的 层，从而减小了 结的电容，提高了工作 频率。 光敏二极管的工作电压（ 频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压） 光敏二极管的工作电压 反向偏置电压） 光电转换效率高，暗电流小， 高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫， 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作 各种数字与模拟光纤传输系统， 各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接 收管（红外波段）、 ）、UHF 频带小信号开关、中波频带 频带小信号开关、 收管（红外波段）、 之间电流控制、 到1000MHZ之间电流控制、可变 之间电流控制 衰减器、 衰减器、各种通信设备收发天线的 高频功率开关切换和RF领域的高 高频功率开关切换和 领域的高 速开关等。特殊结构的PIN二极 速开关等。特殊结构的 二极 管还可用于测量紫外线或射线等。 管还可用于测量紫外线或射线等。
2011-4-20 16
APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 光敏二极管（雪崩光敏二极管） 光敏二极管
硅雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比， 硅雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比， 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 长距离光纤通信、激光测距、 长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息 传输和光电对抗系统。 传输和光电对抗系统。
2011-4-20
30
2011-4-20
28
光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
短路电流为 线性特性
一个典型的硅光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 开路电压曲线 2—短路电流曲线 短路电流曲线
2011-4-20 29
当负载短路时， 当负载短路时，光电流在很大范围内与照 度成线性关系。 度成线性关系。当希望光电池的输出与光 照度成正比时， 照度成正比时，应把光电池作为电流源来 使用；当被测非电量是开关量时， 使用；当被测非电量是开关量时，可以把 光电池作为电压源来使用。 光电池作为电压源来使用。 提问：如果要得到 的输出电压， 提问：如果要得到1.5V的输出电压，提 的输出电压 供给液晶计算器使用， 供给液晶计算器使用，必须将几块光电池 串联/并联起来 并联起来？ 串联 并联起来？
2011-4-20
2
第一节
光电效应及光电元件
用光照射某一物体， 用光照射某一物体，可以看作物体 受到一连串能量为hf 的光子的轰击， 受到一连串能量为 的光子的轰击，组 成这物体的材料吸收光子能量而发生相 应电效应的物理现象称为光电效应。 应电效应的物理现象称为光电效应。
1、外光电效应：在光线的作 外光电效应： 用下能使电子逸出物体表面的现象 称为外光电效应， 称为外光电效应，基于外光电效应 的光电元件有紫外光电管、 的光电元件有紫外光电管、光电倍 增管、 摄像管等。 增管、光电摄像管等。
2011-4-20
9
某型号光敏电阻的光电特性 a）光照 电阻特性 b）光照 电流特性 ）光照/电阻特性 ）光照/电流特性 从图中可以看出： 从图中可以看出： 当光照大于100lx时，它的光电特性非线性 当光照大于 时 2011-4-20 十分严重了。 十分严重了。
10
光通量是光源在单位时间内发出的光量总 和。 光通量单位：流明（ ） 光通量单位：流明（lm） 照度定义： 照度定义：E=dΦ/dA，所以 lx=1 lm/m2。 ，所以1 。 照度是光源照射在被照物体单位面积上的 光通量。 光通量。 照度单位：勒克斯（ ） 照度单位：勒克斯（lux）
太阳能发电
201方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
2011-4-20 27
光电池的基本特性 （1）光谱特性 ） 提问： 提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少 µm？ ？ （2）光电特性 ） 曲线1：光电池负载开路时的“ 曲线 ：光电池负载开路时的“开路电 的特性曲线； 压”Uo的特性曲线； 的特性曲线 曲线2：负载短路时的“短路电流” 的特 曲线 ：负载短路时的“短路电流”IΦ的特 性曲线。 性曲线。
2011-4-20
18
光敏晶体管的基本特性 （1）光谱特性 ） 看图，结论： 看图，结论：不同材料的光敏晶体管对 不同波长的入射，其相对灵敏度Kr不同 不同。 不同波长的入射，其相对灵敏度 不同。
2011-4-20
1－常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性 － 2－滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移 － 3－滤光玻璃引起的光谱特性红偏移 －
19
（2）光电特性 请判断灵敏度的高低
IΦ
4mA
光 电 流
光敏 三极管
光敏 二极管
0.3mA
光照 3000lx
E
20
0
2011-4-20
请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ 时 光敏二极管的光电流 请计算当
光敏三极管外形
2011-4-20
21
3、光生伏特效应：在光线的作用下，物体产 、光生伏特效应：在光线的作用下， 生一定方向电动势的光电效应。 生一定方向电动势的光电效应。 基于光生伏特效应的光电元件 ——光电池 光电池
2011-4-20
17
光控基极） 3、光敏三极管 （光控基极）
光敏三极管有两个 结 光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益， 三极管相似，有电流增益，灵敏度比光 敏二极管高。 敏二极管高。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， 有引出线，只有正负（ 、 ）两个引脚， 所以其外型与光敏二极管相似， 所以其外型与光敏二极管相似，从外观 上很难区别。 上很难区别。
紫外管外形
当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时， 阴极板上时，电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面， 出金属表面，形 成电子发射。 成电子发射。紫 外管多用于紫外 线测量、 线测量、火焰监 测等。 测等。
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紫外线
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（2）内光电效应：在光线的作用下能使 ）内光电效应： 物体的电阻率改变的光电效应。 物体的电阻率改变的光电效应。 基于内光电效应光电元件：光敏电阻、 基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
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光敏电阻的特性和参数 置于室温、 （1）暗电阻 置于室温、全暗条件下测 ） 得的稳定电阻值称为暗电阻， 得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于 1M 。光敏电阻受温度影响甚大，温度上 光敏电阻受温度影响甚大， 暗电阻减小，暗电流增大， 升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下 这是光敏电阻的一大缺点。 降，这是光敏电阻的一大缺点。 （2）光电特性 在光敏电阻两极电压固定 ） 不变时， 不变时，光照度与电阻及电流间的关系称 为光电特性。 为光电特性。
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1、光敏电阻
内光电效应： 内光电效应：当光敏电阻 受到光照时， 阻值减小。 受到光照时， 阻值减小。
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光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 照时， 电子—空穴 电子 空穴 对增加，阻 对增加， 值减小， 值减小，电 流增大。 流增大。 暗电流（越小越好） 暗电流（越小越好）
第十章
光电传感器
本章学习光电效应、光电元件 本章学习光电效应、 的结构、工作原理、特性以及光电 的结构、工作原理、 传感器的各种应用， 传感器的各种应用，掌握光电开关 及光电断续器的使用方法。 及光电断续器的使用方法。
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1905年德国物 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， 光电发射效应，并 为此而获得1921年 为此而获得 年 诺贝尔物理学奖。 诺贝尔物理学奖。
型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感 在N型衬底上制造一薄层 型层作为光照敏感 型衬底上制造一薄层 就构成最简单的光电池。 面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足 够大时， 型区每吸收一个光子就产生一对光生电 够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电 空穴对， 光生电子—空穴对的的扩散运动使 子—空穴对， 光生电子 空穴对的的扩散运动使 空穴对 电子通过漂移运动被拉到N型区 空穴留在P区 漂移运动被拉到 型区， 电子通过漂移运动被拉到 型区，空穴留在 区， 所以N区带负电 区带负电， 区带正电 如果光照是连续的， 区带正电。 所以 区带负电，P区带正电。如果光照是连续的， 经短暂的时间， 结两侧就有一个稳定的光生电 经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电 动势输出。 动势输出。
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150lx是教育部门要求所有学校课堂桌 是教育部门要求所有学校课堂桌 面所必须达到的标准照度。 面所必须达到的标准照度。 用照度计测量：距离为 时 用照度计测量：距离为2m时，15W白 白 炽灯的照度为50lx； 炽灯的照度为50lx；节能台灯的照度 为2000lx；阴天靠窗的照度为 ；阴天靠窗的照度为2000lx； ； 太阳光直接照射的照度为10000～ 太阳光直接照射的照度为 ～ 40000lx。 。
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光敏二极管的反向偏置接 参考上页图） 线（参考上页图）及光电特性 演示
在没有光照时， 在没有光照时，由于二 极管反向偏置， 极管反向偏置，反向电流 暗电流）很小。 （暗电流）很小。
光照
—
UO
+
光敏二 光敏二 极管的 反向偏 置接法
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当光照增加 光电流I 时，光电流 Φ 与光照度成正 比关系。 比关系。 15
在没有光照时， 在没有光照时，由 于二极管反向偏置， 于二极管反向偏置，所 反向电流很小， 以反向电流很小，这时 的电流称为暗电流， 的电流称为暗电流，相 当于普通二极管的反向 饱和漏电流。 饱和漏电流。当光照射 在二极管的PN PN结 在二极管的PN结（又称 耗尽层）上时， PN结 耗尽层）上时，在PN结 附近产生的电子附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加， 对数量也随之增加，光 电流也相应增大， 电流也相应增大，光电 流与照度成正比。 流与照度成正比。
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内光电） 2、光敏二极管 （内光电）
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方， 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子 空穴 结时， 结时 电子-空穴 对数量增加， 对数量增加，光电流 与照度成正比。 与照度成正比。
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光敏二极管的反向偏置接法 光敏二极管的反向偏置接法
2011-4-20 22
光电池外形 光电池外形
光敏面
2011-4-20
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能提供较大电流的 大面积光电池外形 大面积光电池外形
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光电池在动力方面的应用
太阳能赛车 太阳能 硅光电池板 太阳能电动机模型
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光电池在动力方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
PIN光电二极管 光电二极管
PIN光电二极管是在 区和 区之间插入一层电阻 光电二极管是在P区和 光电二极管是在 区和N区之间插入一层电阻 率很大的I层 从而减小了PN结的电容 结的电容， 率很大的 层，从而减小了 结的电容，提高了工作 频率。 光敏二极管的工作电压（ 频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压） 光敏二极管的工作电压 反向偏置电压） 光电转换效率高，暗电流小， 高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫， 光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作 各种数字与模拟光纤传输系统， 各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接 收管（红外波段）、 ）、UHF 频带小信号开关、中波频带 频带小信号开关、 收管（红外波段）、 之间电流控制、 到1000MHZ之间电流控制、可变 之间电流控制 衰减器、 衰减器、各种通信设备收发天线的 高频功率开关切换和RF领域的高 高频功率开关切换和 领域的高 速开关等。特殊结构的PIN二极 速开关等。特殊结构的 二极 管还可用于测量紫外线或射线等。 管还可用于测量紫外线或射线等。
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APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 光敏二极管（雪崩光敏二极管） 光敏二极管
硅雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比， 硅雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比， 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、 长距离光纤通信、激光测距、 长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息 传输和光电对抗系统。 传输和光电对抗系统。
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光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
短路电流为 线性特性
一个典型的硅光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 开路电压曲线 2—短路电流曲线 短路电流曲线
2011-4-20 29
当负载短路时， 当负载短路时，光电流在很大范围内与照 度成线性关系。 度成线性关系。当希望光电池的输出与光 照度成正比时， 照度成正比时，应把光电池作为电流源来 使用；当被测非电量是开关量时， 使用；当被测非电量是开关量时，可以把 光电池作为电压源来使用。 光电池作为电压源来使用。 提问：如果要得到 的输出电压， 提问：如果要得到1.5V的输出电压，提 的输出电压 供给液晶计算器使用， 供给液晶计算器使用，必须将几块光电池 串联/并联起来 并联起来？ 串联 并联起来？
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第一节
光电效应及光电元件
用光照射某一物体， 用光照射某一物体，可以看作物体 受到一连串能量为hf 的光子的轰击， 受到一连串能量为 的光子的轰击，组 成这物体的材料吸收光子能量而发生相 应电效应的物理现象称为光电效应。 应电效应的物理现象称为光电效应。
1、外光电效应：在光线的作 外光电效应： 用下能使电子逸出物体表面的现象 称为外光电效应， 称为外光电效应，基于外光电效应 的光电元件有紫外光电管、 的光电元件有紫外光电管、光电倍 增管、 摄像管等。 增管、光电摄像管等。
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9
某型号光敏电阻的光电特性 a）光照 电阻特性 b）光照 电流特性 ）光照/电阻特性 ）光照/电流特性 从图中可以看出： 从图中可以看出： 当光照大于100lx时，它的光电特性非线性 当光照大于 时 2011-4-20 十分严重了。 十分严重了。
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光通量是光源在单位时间内发出的光量总 和。 光通量单位：流明（ ） 光通量单位：流明（lm） 照度定义： 照度定义：E=dΦ/dA，所以 lx=1 lm/m2。 ，所以1 。 照度是光源照射在被照物体单位面积上的 光通量。 光通量。 照度单位：勒克斯（ ） 照度单位：勒克斯（lux）
太阳能发电
201方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
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光电池的基本特性 （1）光谱特性 ） 提问： 提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少 µm？ ？ （2）光电特性 ） 曲线1：光电池负载开路时的“ 曲线 ：光电池负载开路时的“开路电 的特性曲线； 压”Uo的特性曲线； 的特性曲线 曲线2：负载短路时的“短路电流” 的特 曲线 ：负载短路时的“短路电流”IΦ的特 性曲线。 性曲线。
2011-4-20
18
光敏晶体管的基本特性 （1）光谱特性 ） 看图，结论： 看图，结论：不同材料的光敏晶体管对 不同波长的入射，其相对灵敏度Kr不同 不同。 不同波长的入射，其相对灵敏度 不同。
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1－常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性 － 2－滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移 － 3－滤光玻璃引起的光谱特性红偏移 －
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（2）光电特性 请判断灵敏度的高低
IΦ
4mA
光 电 流
光敏 三极管
光敏 二极管
0.3mA
光照 3000lx
E
20
0
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请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ 时 光敏二极管的光电流 请计算当
光敏三极管外形
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3、光生伏特效应：在光线的作用下，物体产 、光生伏特效应：在光线的作用下， 生一定方向电动势的光电效应。 生一定方向电动势的光电效应。 基于光生伏特效应的光电元件 ——光电池 光电池
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光控基极） 3、光敏三极管 （光控基极）
光敏三极管有两个 结 光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益， 三极管相似，有电流增益，灵敏度比光 敏二极管高。 敏二极管高。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， 有引出线，只有正负（ 、 ）两个引脚， 所以其外型与光敏二极管相似， 所以其外型与光敏二极管相似，从外观 上很难区别。 上很难区别。