§3．1．5 光敏三极管,一、原理与结构,光敏三极管与普通的晶体三极管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不受基极电流控制，而是受光通量的控制所以，光敏三极管的外形由光窗、集电极和发射极的引出脚等组成，制作材料多为半导体硅光敏三极管的原理结构如图(a)所示正常运行时，集电极为反偏置，发射极为正偏置集电极为光电结，集电极产生的光电流 向基区注入，同时在集电极产生一个被放大的电流 显然,β为三极管的电流放大倍数光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级但其他特性不如光敏二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系频率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件光敏三极管的电流放大作用可从图(c)说明，它与普通三极管在偏流电路中接一个光敏三极管的作用是完全相同的，只是用由 替代了 光敏三极管的输出电路如图(a)所示，基本上与光敏二极管输出电路相同，输出电压的计算也同光敏二极管相同，只是灵敏度S要比光敏二极管的灵敏度大些 注意，光敏三极管的输出脚同光敏二极管相同，是二只而不是三只二、光电达林顿管,为了得到更高的灵敏度和更大的输出电流，把光敏三极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起，封装在一个管壳内，称为光电达林顿管，如图所示。
将场效应管的栅级与沟道之间的PN结做成光电结，当有光照时，PN结产生光电流 ，相当于场效应管的 ，去控制 ，从而达到光通量控制场效应管输出电流的目的光电场效应管的电路图如所示三、光电场效应管,,,,一、热释电效应,§3．1．6 热释电,在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度，Ps为自发极化强度方向具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，就会产生热释电效应，因而称为热释电晶体为晶体面积，α是与晶体材料有关的常数若在两电极间接上负载Z，则负载中就有热释电电流通过，其大小为：,如果热释电晶体中的Ps按同一方向排列，则沿垂直于Ps方向将晶体切成薄片，并在两表面淀积金属电极时，随着薄片温度的变化，两电极间就会出现一个与温度变化速率成正比的电压 为热释电系数只与热释电材料的温度变化率有关，与温度本身无关适用于对人体和运动目标的检测与跟踪，对温度变化率进行测量，对静物，需要对入射辐射进行调制后才能检测，调制频率一般不高于100Hz二、热释电的构成及特性,由于热释电的输出阻抗很高，可达10以上，其输出电压信号又非常微弱，故需要进行阻抗变换和信号放大。
热释电外形如图l所示其内部结构如图2所示实用的热释电由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内充入氮气封装起来敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极热释电材料以压电陶瓷和陶瓷氧化物最多，钽酸锂(LiTa03)，硫酸三甘肽(LATGS)及钛锆酸铅(PZT)制成的热释电目前用得极广，近年来开发的具有热释电性能的高分子薄膜聚偏二氟乙烯(PVF2)，也已用于红外成像器件和火灾报警器热释电输出电路如图所示场效应管FET用来构成源极跟随器，高阻值Rg的作用是释放栅级电荷，使场效应管安全正常工作，FET和Rg一般与热放栅级电荷，使场效应管安全正常工作，FET和Rg一般与热释电做成一体， 是负载电阻，需外接 为输出电压，后接放大器一般热释电在0．2～20μm光谱范围内的灵敏度是非常平坦的，由于不同检测需要，采用不同材料的滤光片作为窗口，如用于人体探测和防盗报警的热释电，由于人体辐射在9.4μm处最强，故红外滤光片选取7.5—14μm波段二、菲涅尔透镜,视场角度范围如图所示当辐射物在菲涅尔透镜的视场范围内运动时，依次地进入某一单元透镜的视场，又离开这一视场，热释电对运动的辐射一会儿敏感，一会儿又不敏感，这样不断重复，于是运动的辐射不断的改变热释电表面的温度，热释电输出一个又一个对应的信号。
不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为2米左右，加上菲涅尔透镜后，探测距离可达10米以上使用热释电信息转换器件时，一般前面需安装菲涅尔透镜，外来移动的辐射能量通过菲涅尔透镜断续的聚光于热释电上，使热释电输出相应的电信号同时，菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离每个透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续，也不重叠，彼此相隔一个微小的盲区一种典型的菲涅尔透镜外形如图所示四、热释电的应用,1．热释电防盗报警器,热释电信息转换器件应用：防盗报警和安全报警装置(防止人们误人危险区)、自动门、自动照明装置、火灾报警等热释电防盗报警器的电路框图如图,电子线路图如图所示,检测放大电路：检测放大电路由热释电信息转换器及滤波放大器A1、A2等组成为热释电的负载(RL)来自热释电的信号经 耦合到A1上运放A1组成第一级滤波放大电路，它是一个低频放大倍数约为 AFl＝R6／R4＝27 的低通滤波器，其截止频率为,,,,A2也是一个低通放大器，其低频放大倍数约为,截止频率为,,,经过两级放大后，0.2Hz左右的信号被放大到4000倍以上图中， 为退耦电路； 为偏置电路经 放大的信号经过 电容耦合后输入 放大器。
在静态时输出约为4．5V(DC)； 为退耦电容比较器电路： 调节 ，使比较器同相端电压在2．5～4V左右变化在无报警信号输入时，比较器反相端电压大于同相端，比较器输出为低电平当有人入侵时，比较器翻转输出为高电平，LED亮，当人体运动时，则输出一串脉冲驱动电路： 、555I和 组成驱动电路当A端输入一个脉冲时，将 少量充电，若没有再来脉冲，则 将通过 放电；若有人在报警区内移动，则会产生一系列脉冲，使 不断充电，当达到一定电压时，使 导通而输出低电平这个低电平输入到由555I组成的单稳态电路的2脚，使555I触发，3脚输出高电平，从而使VT2导通，使继电器吸合，从而控制报警器单稳态的暂态时间由 及 决定，调节 可改变报警的时间延时电路：555Ⅱ组成上电延时电路当接通电源的瞬间，555Ⅱ的2、6脚处于高电平( 来不及充电)，其3脚输出为低电平，3脚与555I的4脚相连，所以刚通电瞬间，555I的4脚为低电平，单稳态电路不能工作，即上电时不会报警延时的时间取决于 及 在这一段延时时间内，若有人在报警区内移动也不能报警，防止自己人没走开就报警延时结束后555Ⅱ的3脚为高电平，555I即能正常工作，从而使整个系统工作在监视状态。
报警 时间,报警器的 灵敏度,2．自动门控制电路,电路中的I、Ⅱ部分与(a)相同，当有人走近门时，比较器A3输出一串脉冲I、Ⅱ部分的传感器分别安装在门的里、外两边，使人无论进门或出门，门都能自动开关二极管组成一个或门，无论I、Ⅱ哪一个有信号输出或两者都有信号，都会使三极管VT导通，VT输出低电平，此低电平触发集成块555的单稳态电路，使其3脚输出为高电平，继电器吸合，驱动门电机旋转，使门打开暂态时间由 、 决定，暂态结束后3脚为低电平，继电器释放，使驱动电机反转，门自动关上五、热电成象器件,目前，热释电也可制成探测器阵列，已有320X240像敏元的热释电热成象系统上市，主要用于红外摄像机 另一类热电探测器是碲镉汞(CMT)器件，这也是一种热成象器件，可以单元使用，也可以线阵或面阵使用，具有极高的灵敏度，已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上 但碲镉汞(CMT)器件使用时一定要制冷，一般采用半导体制冷§3．2．1 位置传感器(PSD),光电位置敏感器件PSD(Position Sensitive Detector)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件 即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。
通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD的位置入射光点强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关 PSD的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关PSD可分为一维PSD和二维PSD一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标由于PSD是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号,§3．2 光电信息转换集成器件,1．一维PSD,实用的一维PSD为PIN三层结构，其截面如图所示表面P层为感光面，两边各有一信号输出电极底层的公共电极是用来加反偏电压的当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为 而 和 的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻 和 如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图(b)所示的电路由于 很大，而 很小，故等效电路可简化成图(c)的形式，其中 和 的值取决于入射光点的位置由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流 和 。
显然， 和 之和等于光生电流,,,,,两个信号电极输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比倒数,L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距PSD中点的距离,假设负载电阻 阻值相对于 和 可以忽略，则：,将 ＝ + 与上式联立得：,,,,从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系若将两个信号电极的输出电流作如下处理：,得到的结果只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件 称为一维PSD的位置输出信号其基本检测和处理电路如图2．二维PSD,如图所示，二维PSD有两种形式一种是单面型的，如图(a)所示，在受光面上设有两对电极，A、B为x轴电极，正为,另一种是双面型的如图(b)所示，正面与背面之间是一个PN结，正反面都是均匀的电阻层 x轴电极A、B安在正面的受光面上，y轴电极C、D垂直与x轴安在背面光点产生的光电流分为正面与背面两部分对于这种结构，反偏压是加在正面电极与背面电极之间(信号电极与偏置电极不独立)。
设 分别为电极A～D的光电流，代人上式即可求得光点能量中心的位置背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置设 为电极A～D的光电流，则光点能量中心的位置坐标为,,§3．2．2 电荷耦合器(CCD),CCD:有结构简单，集成度高，制造工序少，功耗低，信噪比好优点用途:工业检测、电视摄像,CCD的种类：线阵和面阵 CCD是半导体集成器件，它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成相邻两光敏元的中心距在13～16μm范围内 CCD的工作原理： （1）把光信息转换成电脉冲信号 （2）每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况， （3）脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱， （4）输出脉冲的顺序反映光敏元的位置，起到了图像传感的作用,一、MOS光敏元的工作原理,MOS结构，一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(Si02)，并光线在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层因为它是由金属(M)一氧化物(O)一半导体(S)三层所组成，故称MOS结构衬底可以是P型或N型半导体（以P型为例）当在金属电极上加正电压U时，在电场作用下，电极下P型区域里的多数载流子空穴被排斥、驱赶，形成一个“耗尽区”。
但对少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，术称“势阱”如果此时有光线从背面或正面入射到半导体硅片上(图中采用背面入射)，在光子的。