Z-半导体敏感元件原理与应用一

1、Z-半导体敏感元件原理与应用一摘要：本文重点介绍光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型应用电路、设计方法和应用示例，供广大用户利用光、磁敏Z-元件进行应用开发时参考。关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器一、前言光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中3重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关

2、规定。磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中3第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。二、光敏Z-元件及其技术参数图1电路符号与伏安特性1光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。表1、光敏Z-元件的分档代号与技术参数名称符号单位阈值电压分档代号测试条件T=20C或25

3、C10203031阈值电压VthV30RL=5kW阈值电流IthmA11523RL=5kW导通电压VfV5101520RL=5kW反向电流IRmA45454545E=25V允许功耗PMmW100100100100转换时间tms20202020阈值灵敏度SthmV/100lx-80-120-150-200RL=5kW阈值灵敏度温漂DTth%/100lxCFS-4RL=5kWM1区灵敏度SM1mV/100lx200250300350RL=Vth/IthM1区灵敏度温漂DTM1%/100lxCFS-3RL=Vth/Ith反向灵敏度SRmV/100lx800E=25V反向灵敏度温漂DTR%/100lx

4、CFS-1RL=510kW图1（a）为结构示意图，图1（b）为电路符号。元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。该元件的命名方法分国内与国际两种：国内命名法：国际命名法响应波长代号：10.41.2mm20.21.2mm。2光敏Z-元件的伏安特性曲线图1（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T()时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区

5、电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值（微安级）很小。3光敏Z-元件的分档代号与技术参数光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。三、光敏Z-元件的光敏特性1无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，利用图1(c)特性测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同6。2光敏Z-元件正向光敏特性把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大，每次递增100l

6、x，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf。从测试可知，光敏Z-元件的阈值点P(Vth,Ith)随着照度的增加，一直向左偏上方向移动如图2(a)，Vth随光照增加而增大，Vf变化较小。Vth、Ith与照度L的关系参看图3。光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx5000lx时短路电流为几微安至几十微安。3光敏Z-元件反向光敏特性把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，测

7、量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。其特性如图2（b）。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。四、光敏Z-元件的应用电路光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。1M1M3转换，输出负阶跃开关信号电路3，4负阶跃开关信号输出电路示于图4（a），工作过程的图解示于图4（b）。在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1）

8、，E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1VZ1E-IZ1RL。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点5，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2VOLVf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：EVth2I

9、th2RL（1）其中，负载电阻值RL一般为12kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2Vf，电流为IZ2If，电压与电流之积为VfIfP，并且PPM50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：DVOVth2-Vf（2）公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题：（1）从图3（a）知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不经济的。也就是说，照度选择要适当。（

10、2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式计算值相等。2反向应用输出模拟电压信号Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻(16MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(3040V)下，不发生击穿现象。图5为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：VO1=E-VZ1=E-IZ1RL当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，

11、则：VO2=E-VZ2=E-IZ2RL反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示：(3)3M1M3，M3M1相互转换，输出脉冲频率信号该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VCVth时，Z-元件工作在M1区，当VCVth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VCVf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上

12、述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。信号频率用f表示：(4)tRLC从式(4)可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在3001000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW20kW，C选择范围是0.01mF0.22mF，E应为(1.51.8)Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。五、光敏Z-元件特性与应用电路总结光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者

13、的温度特性也非常相似6。Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZVth时，工作在高阻M1区，在VZVth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZVf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、Vf、IR。上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形；表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。六、光敏Z-元件应用示例1有温度补偿的光开关电路该电路使用两个光敏Z-元件，并做反向应用，要求两个Z-元件的反向电流相等，且反向温度灵敏度温漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。图7(b)为解析图，无光照的伏安特性为V1(0lx，T1)和V2(0lx，T1)有温度变化的伏安特性为V1(0lx，T2)和V2(0LX，T2)，V2受光照的伏安特性为