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传感元件是指根据所规定的被测物理量的大小、特性或状态，能输出与之成已知函数关系电量的元器件。它为非电量的自动检测和控制提供了条件。常用的有检测光、温度、磁场、力、位移、湿度、气体、声等非电量的传感元件。半导体传感元件具有灵敏度高、响应速度快、体积小、寿命长等特点，应用已日趋广泛。本节介绍的是几种最常用的传感元件。传感元件所用传感材料参见第3篇第85～105条。
是利用半导体的光电导效应制造的光敏元件。参见第3篇第86条。硫化镉（CdS）和镉硒（CdSe）是制造光敏电阻的常用材料，它们的光敏感峰分别为0.6μm和0.72μm，均在可见光范围。用它们的混合晶体制成的CdS-CdSe系列光敏电阻，光敏感峰约为0.66μm，光谱特性见图4.2-1。这种光敏电阻常在光耦合器、光电自动控制（如摄影曝光、自动给水）中使用。
图4.2-1 CdS-CdSe系列光敏电阻的光谱特性
1—CdS（100%） 2—CdS-CdSe（15%） 3—CdS-CdSe（40%） 4—CdS-CdSe（60%） 5—CdSe（100%）
参见第3篇第101条。热敏电阻分金属型和半导体型。铂电阻是应用最多的金属热敏电阻，其电阻-温度关系为
R t = R 0 [1+ AT + BT 2 + CT 3 （ T -100）]
式中 R 0 ——0℃时电阻值；
R t ——T （℃）时电阻值；
A 、 B 、 C ——常数， A =3.96847×10 -3 ℃ -1 ； B =-5.847×10 -7 ℃ -1 ；当温度为-200℃≤ T ≤0℃时， C =-4.22×10 -12 ℃ -1 ；0≤ T ≤650℃时， C ≈0。
半导体热敏电阻利用热敏半导体的电阻值随温度改变的特性而制造。有负温度系数热敏电阻（NTCR）和正温度系数热敏电阻（PTCR）两种。NTCR主要材料是含锰三元系列Mn-Co-Ni-O；PTCR的代表性材料是BaTiO 3 ，它在温度低于100℃时和一般半导体材料一样，具负温度系数，当温度超过居里点（约100℃）时，电阻值随温度升高以方次幂增加。
参见第3篇第105条。磁敏元件主要有霍尔器件、磁阻器件、磁敏半导体器件和约瑟夫逊超导量子干涉器件（SQUID）等。
图4.2-2是霍尔器件的结构原理图。若在霍尔片的 x 轴方向通过控制电流 I C 、 z 方向通过磁感应强度为 B 的磁场，由于载流子受洛伦磁力作用，使霍尔片 y 轴方向两侧产生电位差 U H ，称霍尔电压。 U H = K H I C B ，式中 K H 是霍尔元件的磁场灵敏度。霍尔器件除了受与电流方向垂直的磁场作用产生霍尔电压外，还会出现半导体电阻率变化现象，称磁阻效应。利用这种效应可制成磁阻器件。
图4.2-2 霍尔器件结构原理图
磁敏晶体管分为锗管和硅管，它利用载流子在磁场作用下发生偏转导致集电极电流变化的原理，可感测磁场的方向和强度。见手册第4篇第25条。
在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体发生化学作用、生物作用或是物理吸附作用时膜层的质量和导电率将发生变化，从而引起压电晶体的声表面波频率发生漂移。气体浓度不同，膜层质量和导电率将发生变化从而引起声表面波频率的改变。通过测量声表面波频率的变化可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
气敏元件可以用于气敏传感器，用来检测气体浓度和成分。气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂、呼气中的乙醇、人体口腔异味等的检测，对环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
是利用PN结的光电效应制成的一种敏感元件，具有对光敏感、响应速度快的特点。参见第3篇第88条。有结型、肖特基势垒型、雪崩型和点接触型等，主要材料是硅和锗。PN结光电二极管伏安特性见图4.2-3，常用器件参数见表4.2-1。
由两个PN结组成PNP或NPN型。工作时发射极和集电极外加与晶体管共射极接法时相同的偏压，基极浮置。基极受光照激发的载流子控制集电极电流，从而具放大作用。电流放大系数越大，对光的灵敏度越高。伏安特性与晶体管共射极输出特性相似，差别只是将基极电流改为光电流，见图4.2-4。几种光电晶体管的特性参数见表4.2-2。
图4.2-3 PN结光电二极管的伏安特性
图4.2-4 光电晶体管的伏安特性
表4.2-1 光电二极管的特性参数
表4.2-2 几种光电晶体管的特性参数
是发光器件（如发光二极管）和受光元件（如光敏电阻）组合在同一装置内所构成的电-光-电转换器件。参见第3篇第86、91条。当电信号进入器件输入端的发光器件时，它可将电信号转换成光信号，再经受光器接收并再转换成电信号输出。由于信号传输以光为媒质，故称为光电耦合器件。它具有抗干扰能力强、隔离性好、频带宽、响应快、体积小和功耗低等优点。一些光电耦合器件的特性见表4.2-3。
表4.2-3 一些光电耦合器件的特性
激光器的一种。与别的激光器一样，是利用原子或分子内的受激辐射，并使发射的光放大、振荡的装置。激光器的结构一般原理见图4.2-5。参见第3篇第93条。
图4.2-5 激光器的基本结构
任何形态的激光器，工作物质都必须具备能实现能级间的粒子数反转，而且是受激辐射大于吸收现象的物质。通常处于较高能级的粒子数总是少于较低能级的粒子数，为了利用受激辐射，必须用激励系统供给能量，把激光工作物质低能级的粒子数激发到高能级，实现粒子数反转。常用光、放电、电子束、等离子体、冲击波、化学反应、电流注入及放射线等方式激励。光学谐振腔一方面提供光学反馈，使受激辐射的放大作用能在工作物质中多次反复，实现受激辐射的持续振荡；另一方面也对振荡光束的方向和频率实行限制，保证输出激光的单色性和高定向性。
半导体激光器使用的工作物质的材料主要是砷化镓及砷化镓与铝、铟、磷、锑等组成的三元和四元体系。从结构上讲有双异质结（DH）、分别限制异质结（SCH）、大光腔（LOC）、分布反馈式（DFB）和收缩双异质结（CDH）等。半导体激光器在光纤通信、激光光盘系统、全息摄影、手术器等领域都有广泛应用。
电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）是一种以电荷包形式存储和传递信息的半导体表面器件。按器件要求的时钟信号有二相、三相和四相之分；按电荷存储、转移的部位分表面沟道CCD（Surface-Channel CCD，SCCD）和体内沟道CCD（Buried-Channel CCD，BCCD）两类，结构见图4.2-6。
图4.2-6 CCD器件结构图
a）SCCD结构示意图 b）BCCD结构示意图
图4.2-7是三相SCCD的工作原理示意图。转移栅极加上图中所示的三相时钟脉冲，当 t 为 t 1 时， ϕ 1 处于高电平， ϕ 2 和 ϕ 3 处于低电平， ϕ 1 电极下的Si-SiO 2 处出现势阱。到 t 为 t 2 时， ϕ 2 变为高电平， ϕ 1 势阱中的电子向 ϕ 2 转移， ϕ 1 电平开始下降。到 t 为 t 3 时，有更多的电子转移到 ϕ 2 。到 t 为 t 4 ， ϕ 1 下降到低电平， ϕ 1 势阱中的电子几乎全部转移到 ϕ 2 势阱中。
这样在时钟脉冲的一个周期内，信号电荷能够从电极1转移到电极2，再经电极3转移到电极4。在以后的各个周期内，信号电荷照此方式继续向前转移。
图4.2-7 CCD器件工作原理
a）按时间顺序电荷在势阱内传输
b）施在电极上的时钟脉冲电压
CCD可用于图像传感、信号处理、数字存储等领域。工作在可见光及近红外波段的CCD图像传感器，集成度达1024×1024象元。目前，CCD的工作频段范围已进入中、远红外波段，还可扩大到X射线波段和紫外波段。在信号处理方面，CCD已用作模拟延迟线、CCD横向滤波器、CCD递归滤波器、CCD可编程横向滤波器、CCD电荷域滤波器、CCD相关器。CCD还用于数字存储、随机存储以及电子对抗中的模拟存储系统。
也叫太阳电池，在太阳光的照射下产生电动势的一种半导体器件，主要用于光电转换、光电探测及光能利用等方面。光电池的符号、基本电路与等效电路见图4.2-8。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳电池。太阳电池作为能源广泛应用在人造地球卫星、灯塔、无人气象站等处。它也可以用于测光，比光电二极管更灵敏。
图4.2-8 光电池
a）符号 b）基本电路 c）等效电路
一种利用压电体的谐振特性制作的元件。在电子线路中代替 LC 谐振回路，具有 Q 值和谐振频率稳定度高的优点。压电材料参见第3篇第97条。按使用材料不同，有以下几类。
（1）石英晶体谐振器 在谐振状态下，其等效电路和频率特性如图4.2-9。图中 L 、 C 及 R 分别是动态电感、电容和电阻， C 0 为静态电容。
（2）压电陶瓷谐振器 具有制造方便、价格便宜、体积小等优点，频率稳定度和精度虽低于石英晶体谐振器，但已能满足在一般电子电路中产生时钟信号的需要。
图4.2-9 石英晶体谐振器的等效电路和频率特性
a）符号 b）等效电路 c）频率特性
用压电材料制作的滤波器。按材料不同分为晶体滤波器和陶瓷滤波器。
单片晶体滤波器由一块晶片的两面复有若干对电极组成，每一对电极区形成一个压电振子，其结构如图4.2-10。当一定频率电信号加到输入振子上时，由于逆压电效应，输入振子产生振动。但晶片非电极部分的谐振频率较电极部分为高，在电极区和非电极区的边界上将产生反射，使振动能量在非电极区内呈指数衰减，并引起相邻振子间的耦合。通过这种耦合，将振动依次传到晶片的输出振子上，通过正压电效应转换成电信号输出。合理设计每个电极的尺寸及间距，就能达到要求的标称频率和阻带带宽。其标称频率范围大约在2～350MHz，阻带带宽为（0.01～0.3）%/ n 2 ， n 为泛音次数。
图4.2-10 单片晶体滤波器
把电能转换成光能的注入式电致发光器件，由PN结组成，参见本篇第1条。当PN结正偏时，结区及其附近会产生少数载流子的注入和复合，并通过光辐射放出能量。硅和锗半导体中的少子往往被晶体中的缺陷俘获而损失能量，所以光辐射现象不明显。实用的LED常用GaAs、GaP等Ⅲ族或Ⅴ族元素的化合物制造。表4.2-4是一些材料的发光特性。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
表4.2-4 一些材料的发光特性
以惰性气体为工作物质，当气体电离时，发生辉光放电实现显示。按结构分为冷阴极型和热阴极型；按驱动方式分交流型和直流型。交流等离子体显示板的原理结构见图4.2-11。
在间距约0.15mm的两块玻璃基板内制作 x 、 y 条形透明栅状电极，并涂敷透明玻璃电介质绝缘层和MgO保护膜。再采用低熔点玻璃粉作气密性封接，形成真空密封腔体后，充入惰性气体。相互正交的 x 、 y 电极，组成了按矩阵排列的放电单元。这种显示板的特点是体积小、重量轻、显示面积大，并具存储性能。适用于视频、全色显示。
图4.2-11 交流等离子体显示板原理结构
液晶是一种电光显示材料，它既具有液体的流动性，又具有固态的光学特性。液晶的排列形态和光学性质在电场、温度等作用下发生变化，这称为液晶的电—光效应和热—光效应。使用较多的是电光效应中的动态散射效应和扭曲效应。
液晶显示器是由夹在两块玻璃基板间的一层液晶膜（约10μm）组成，四周用密封材料封装，在基板的内侧有镀有文字图案的透明电极，并通过引线和外部馈电导线相连，见图4.2-12。
当两个电极接通电源后，电压就加在液晶膜上。利用动态散射效应的液晶显示器的工作原理是：当基板间夹的一层向列相液晶膜未加电压时，液晶分子呈平行排列，液晶膜透明；当外加电压超过某一阈值，液晶中的导电离子在电极间来回运动，使分子排列方向不断变化，形成许多折射率各不相同的小区域，光线通过时强烈散射，液晶膜变得混浊，呈乳白色，显示出文字图案。外加电压去除后，液晶又恢复到原先的排列形式。液晶本身不发光，借助于外界光源显示。液晶显示器一般不用直流电压驱动，直流电场会使液晶材料发生电化学分解反应，使工作寿命缩短。
利用荧光粉在电场作用下发光的原理制作。场致发光有三类：1）粉末场致发光显示板原理结构见图4.2-13，它由玻璃衬底、条状电极、发光粉层和非线性层等部分组成， x 、 y 方向的电极透光，且经印制导线连接由接插件引出，当电极间加正弦电压激励时，场致发光粉发光；2）直流场致发光，显示板采用直流电压激励，结构与粉末场致发光显示相似，但没有非线性层；3）薄膜式场致发光，显示板原理结构见图4.2-14，其特点是寿命长，工作电压低。
图4.2-12 液晶显示器的结构
a）结构图 b）剖视图
图4.2-13 粉末场致发光显示板原理结构
图4.2-14 薄膜式场致发光显示板
场致发光显示板由于结构简单、工艺成熟、成本低、发光面积大、响应速度快等优点，是极具竞争力的显示器件，广泛用于数码与图形显示等领域。
又称为有机电激光显示或有机发光半导体，它利用多层有机薄膜结构产生电致发光，是一种电流型的有机发光器件。见图4.2-15，OLED器件由基板、阴极、阳极、空穴注入层（HIL）、电子注入层（EIL）、空穴传输层（HTL）、电子传输层（ETL）等部分构成。其中，基板是整个器件的基础，所有功能层都需要蒸镀到器件的基板上。通常采用玻璃作为器件的基板，但是如果需要制作可弯曲的柔性OLED器件，则需要使用其他材料如塑料等作为器件的基板。
图4.2-15 OLED结构示意图
OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴与阴极产生的电子发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入并迁移到发光层。而当电子与空穴在发光层相遇时，产生能量激子从而激发发光分子最终产生可见光。OLED的发光强度正比于注入电流，其工作电压为2～20V。
OLED按照其结构的不同可以将其划分为四种类型，即单层器件、双层器件、三层器件以及多层器件。OLED可按发光材料分为两种：小分子OLED和高分子OLED（也可称为PLED）。OLED按照驱动方式来划分，一般分为两种：主动式与被动式。主动式的一般为有源驱动；被动式的为无源驱动。在实际的应用过程中，有源驱动主要是用于高分辨率的产品，而无源驱动主要应用在显示器尺寸比较小的显示器中。
OLED显示技术具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点。目前OLED显示技术广泛的运用于手机、平板电脑、数码摄像机、笔记本电脑和电视机等。基于OLED的新技术有柔性有机发光显示技术（Flexible OLED，FOLED），这项技术有可能在将来使得高度可携带、折叠的显示技术变为可能。
也称真空管，可构成整流、放大、振荡等电路。它的工作原理是：灯丝加热阴极时，阴极产生热电子发射，加有正电压的阳极吸引热发射电子形成阳极电流。当阴极与阳极间加有栅极时，改变栅极电压，可以控制到达阳极的电子数量，从而控制阳极电流。电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源，它的绝大部分用途已经被固体器件晶体管所取代。但它也有优点：1）电子管负载能力强；2）线性性能优于晶体管；3）工作频率高；4）高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好。所以在大功率无线电发射设备，高频介质加热设备及音频功率放大器等领域继续应用。
光电管的碱金属阴极受到光照射时发射光电子，加正电压的阳极产生电场，吸引电子形成电流。光色温为2700K时，真空光电管的光灵敏度 S E =1～10nA/lx（纳安/勒克斯）；充气光电管由于光电子与气体分子发生碰撞电离， S E 可达10～100nA/lx。光电倍增管由于采用铯或锑化铯作阴极，并有8～14个中间电极，以利于真空中二次电子的释放，光灵敏度可达0.1～10nA/lx。
光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件，主要由入射窗、光电阴极、电子倍增系统与阳极等部分组成，见图4.2-16。入射光透过入射窗到达阴极面，由于外光电效应使光阴极面向外释放光电子，光电子在电场的作用下定向移动、加速，并通过聚焦极轰击到第一倍增极产生二次电子。二次电子在电场的作用下，移动、加速，相继轰击各倍增极并倍增，最后到达阳极并输出，其输出电流和入射光子数成正比。
光电倍增管是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区，用于光学测量仪器和光谱分析仪器中，应用领域包括冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等。
图4.2-16 光电倍增管结构示意图