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Z-半導體敏感元件原理與應用一
摘要：本文重點介紹光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型應用電路、設(shè)計方法和應用示例，供廣大用戶利用光、磁敏Z-元件進行應用開發(fā)時參考。關(guān)健詞：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、傳感器
一、 前言
光敏Z-元件是Z-半導體敏感元件產(chǎn)品系列中[3]重要品種之一。它具有與溫敏Z-元件相似的伏安特性，該元件也具有應用電路極其簡單、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強等特點。能提供模擬、開關(guān)和脈沖頻率三種輸出信號供用戶選擇。用它開發(fā)出的三端數(shù)字傳感器，不需要前置放大器、A/D或V/F變換器，就能與計算機直接通訊。該元件的技術(shù)參數(shù)符合QJ/HN002-1998的有關(guān)規(guī)定。
磁敏Z-元件是Z-半導體敏感元件產(chǎn)品系列中[3]第三個重要品種。它具有與溫敏Z-元件相似的伏安特性，該元件體積小，應用電路極其簡單，在磁場的作用下，能輸出模擬信號、開關(guān)信號和脈沖頻率信號，而且輸出信號的幅值大、靈敏度高、抗干擾能力強。
光敏、磁敏Z-元件及其三端數(shù)字傳感器，通過光、磁的作用，可實現(xiàn)對物理參數(shù)的測量、控制與報警。
二、 光敏Z-元件及其技術(shù)參數(shù)
圖1 電路符號與伏安特性
1． 光敏Z-元件的結(jié)構(gòu)、電路符號及命名方法
光敏Z-元件是一種經(jīng)過重摻雜而形成的特種PN結(jié)，是一種正、反向伏安特性不對稱的兩端有源元件。
表1、光敏Z-元件的分檔代號與技術(shù)參數(shù)
名稱
符號
單位
閾值電壓分檔代號
測試條件
T=20°C或25°C
10
20
30
31
閾值電壓
Vth
V
<10
10~20
20~30
>30
RL=5kW
閾值電流
Ith
mA
£1
£15
£2
£3
RL=5kW
導通電壓
Vf
V
£5
£10
£15
£20
RL=5kW
反向電流
IR
mA
£45
£45
£45
£45
E=25V
允許功耗
PM
mW
100
100
100
100
轉(zhuǎn)換時間
t
ms
20
20
20
20
閾值靈敏度
Sth
mV/100lx
-80
-120
-150
-200
RL=5kW
閾值靈敏度溫漂
DTth
%/100lx×°C×FS
>-4
RL=5kW
M1區(qū)靈敏度
SM1
mV/100 lx
200
250
300
350
RL=Vth/Ith
M1區(qū)靈敏度溫漂
DTM1
%/100 lx×°C×FS
>-3
RL=Vth/Ith
反向靈敏度
SR
mV/100lx
>800
E=25V
反向靈敏度溫漂
DTR
%/100 lx×°C×FS
>-1
RL=510kW
圖1（a）為結(jié)構(gòu)示意圖，圖1（b）為電路符號。元件引腳有標記的或尺寸較長的為“+”極。
該元件的命名方法分國內(nèi)與國際兩種：
國內(nèi)命名法：
國際命名法
響應波長代號 ：
1—0.4~1.2mm
2—0.2~1.2mm。
2． 光敏Z-元件的伏安特性曲線
圖1（d）為光敏Z-元件的的伏安特性曲線。在第一象限，OP段M1區(qū)為高阻區(qū)（幾十千歐~幾百千歐）。pf段M2區(qū)為負阻區(qū)，fm段M3區(qū)為低阻區(qū)（幾十千歐~幾百千歐）。其中Vth叫閾值電壓，表示在T(℃)時Z-元件兩端電壓的最大值。Ith叫閾值電流，是Z-元件與Vth對應的電流。Vf叫導通電壓，是M3區(qū)電壓的最小值。If叫導通電流，是對應Vf的電流，也是M3區(qū)電流的最小值。在第三象限為反向特性，反向電流IR是在無光照時反向電壓VR為25V時測量的，其值（微安級）很小。
3． 光敏Z-元件的分檔代號與技術(shù)參數(shù)
光敏Z-元件的分檔代號與技術(shù)參數(shù)見表1。其分檔代號按Vth值的大小排列。型號分二種，按其響應波長分。目前產(chǎn)品波長代號皆為1。
三、 光敏Z-元件的光敏特性
1． 無光照時光敏Z-元件正、反向伏安特性的測量
用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在無光照的情況下，利用圖1(c)特性測量電路測量其正、反向伏安特性，測量電路與方法與溫敏Z-元件相同 [6] 。
2． 光敏Z-元件正向光敏特性
把Z-元件接在正向特性測量電路上，Z-元件放置在可變照度的光場中。測量時照度由小到大，每次遞增100lx，用數(shù)字照度計校準，然后測量Z-元件的正向特性，記錄不同照度時的Vth、Ith、Vf 。從測試可知，光敏Z-元件的閾值點P(Vth,Ith)隨著照度的增加，一直向左偏上方向移動如圖2(a)，Vth隨光照增加而增大，Vf變化較小。Vth、Ith與照度L的關(guān)系參看圖3。
光敏Z-元件的正向特性還具有光生伏特現(xiàn)象，Z-元件的“正”極即光生伏特的“+”極。目前，光生伏特飽和電動勢為200mV左右，短路電流隨光照增強而增大。當照度為100lx~5000 lx時短路電流為幾微安至幾十微安。
3． 光敏Z-元件反向光敏特性
把Z-元件連接在反向特性測量電路中，并把Z-元件置于可變光場中。改變光場照度，用數(shù)字照度計校準，測量其反向特性，即反向電壓VR與反向電流IR的關(guān)系。其特性如圖2（b）�？梢钥闯銎浞聪螂娮桦S照度增加而減小，反向電流隨光照增強而變大。
四、 光敏Z-元件的應用電路
光敏Z-元件有與溫敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，溫敏Z-元件的應用電路，在理論上都適用于光敏Z-元件�？紤]到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的溫漂，因此在光開關(guān)電路中，應當有抗溫度干擾的余量，在模擬應用電路中，應采用具有抗溫漂自動補償電路。
1． M1→M3轉(zhuǎn)換，輸出負階躍開關(guān)信號電路［3］，［4］
負階躍開關(guān)信號輸出電路示于圖4（a），工作過程的圖解示于圖4（b）。在無光照時，OP1為光敏Z-元件M1區(qū)特性，閾值點為P1（Vth1，Ith1），E為電源電壓，以負載電阻值RL和電源電壓E確定的直線（E，E/RL）交電壓軸為E，交電流軸為E/RL。Q1為無光照時的工作點其坐標為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓VO1＝VZ1＝E-IZ1RL 。我們選擇合適的電路參數(shù)，使在照度為E2時，閾值點P1移至P2，并剛好在直線（E，E/RL）上，這時Q2與P2重合。光敏Z-元件開始進入了負阻M2區(qū)，Q2點在幾微秒之內(nèi)即達到了f點［5］，其坐標為f（Vf，If）。此時輸出電壓為VO2＝VOL＝Vf，輸出端輸出一個負階躍開關(guān)信號。為了得到一個負階躍開關(guān)信號，在照度為L2時，工作點Q2與閾值點Vth2重合，電路中各參數(shù)必須滿足的條件可用下述狀態(tài)方程描述：
E＝Vth2＋Ith2RL （1）
其中，負載電阻值RL一般為1~2kW，選擇原則是，當在照度L2時，Z-元件工作在M3區(qū)，工作點Q2的電壓為VZ2＝Vf，電流為IZ2＝If，電壓與電流之積為VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情況下，選擇較小的RL，這個開關(guān)信號的振幅為DVO：
DVO＝Vth2-Vf （2）
公式（1）告訴我們?yōu)榱艘玫截撾A躍開關(guān)信號，E、Vth2、Ith2三者之間的關(guān)系。這時還要考慮以下幾個問題：
（1）從圖3（a）知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO將下降，以至會發(fā)生因振幅過小滿足不了要求的情況；另一方面，過大的照度也是不經(jīng)濟的。也就是說，照度選擇要適當。
（2）在應用的范圍內(nèi)，在無光照不輸出負階躍開關(guān)信號的情況下，工作點Q1選擇應盡量偏右，這樣有利于減小監(jiān)控或報警照度。
（3）供電的直流電源應是一個小功率可調(diào)電源。在照度L2監(jiān)控或報警時，其值應與（1）式計算值相等。
2． 反向應用輸出模擬電壓信號
Z-元件反向電流極小，呈現(xiàn)一個高電阻(1~6MW)，這個電阻具有負的光照系數(shù)，并在較高電壓(30~40V)下，不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。圖5 為反向應用電路及工作狀態(tài)解析圖。可以看出在無光照時，L1=0，工作點為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓為VO1，則：
VO1=E-VZ1=E-IZ1RL
當光照為L2時，伏安特性上移，工作點由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），輸出電壓為VO2，則：
VO2=E-VZ2=E-IZ2RL
反向光電壓靈敏度用SR(mV/100lx)表示：
(3)
3．M1→M3，M3→M1相互轉(zhuǎn)換，輸出脈沖頻率信號
該電路僅需三個元件，用一個小電容器與Z-元件并聯(lián)，再串聯(lián)一負載電阻RL，即可構(gòu)成光頻轉(zhuǎn)換器，如圖6所示，達到了用光敏Z-元件實現(xiàn)光控脈沖頻率的目的。與溫敏Z-元件脈沖頻率電路相同，在無光照時，電源通過RL對電容器充電，當VC<Vth時，Z-元件工作在M1區(qū)，當VC≥Vth時，Z-元件迅速由M1區(qū)經(jīng)M2區(qū)工作在M3區(qū)。M3區(qū)是低阻區(qū)，電容器迅速通過Z-元件放電，當放電至VC≤Vf時，Z-元件脫離M3區(qū)回到M1的高阻區(qū)，電源通過RL重新對電容器充電，如此周而復始重復上述過程，由輸出端輸出后沿觸發(fā)的脈沖頻率信號。信號頻率用f表示：
(4)
t≈RL&n
bsp;C
從式(4)可以看出，光照越強，Vth越小，而Vf基本不變，因而頻率上升的越高。在弱光和強光下，Vth靈敏度較低，所以頻率靈敏度也較低，在300~1000lx有較高頻率靈敏度。RL值選擇范圍是8.2kW~20kW，C選擇范圍是0.01mF~0.22mF，E應為(1.5 ~1.8) Vth。數(shù)值小的電容器振蕩頻率較高，也有較高的頻率靈敏度，電源電壓的范圍較窄；數(shù)值較大的電容器振蕩頻率較低，頻率靈敏度也較低，但電源電壓范圍寬。
五、 光敏Z-元件特性與應用電路總結(jié)
光敏Z-元件的伏安特性與溫敏Z-元件的伏安特性是極為相近的，前者的光特性與后者的溫度特性也非常相似［6］。
Z-元件的特性及應用電路可以概括為：一個特殊的點，即閾值點P（Vth，Ith），該點的電壓靈敏度為負，電流靈敏度為正。有二個穩(wěn)定的工作區(qū)，即高阻M1區(qū)，和低阻M3區(qū)。在VZ<Vth時，工作在高阻M1區(qū)，在VZ≥Vth時，迅速越過負阻M2區(qū)，工作在低阻M3區(qū)，當VZ≤Vf時，又恢復到高阻M1區(qū)。有三個基本應用電路，即開關(guān)電路，反向模擬電路和脈沖頻率電路。有四個主要參數(shù)：即Vth、Ith、 Vf、IR。
上述三個基本應用電路參看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL與Z-元件互換位置后構(gòu)成的正階躍開關(guān)電路與輸出信號波形；表2-5是表2-2中RL與Z-元件互換位置后構(gòu)成的NTC電路。
光敏Z-元件的電參數(shù)中Vf的溫度系數(shù)稍小，Vth、Ith、IR三個參數(shù)的溫度系數(shù)稍大。在要求較高的場合，應當采用電路補償或元件補償，使之滿足設(shè)計要求。
六、 光敏Z-元件應用示例
1．有溫度補償?shù)墓忾_關(guān)電路
該電路使用兩個光敏Z-元件，并做反向應用，要求兩個Z-元件的反向電流相等，且反向溫度靈敏度溫漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。圖7(b)為解析圖，無光照的伏安特性為V1(0lx，T1℃)和V2(0lx，T1℃)有溫度變化的伏安特性為V1(0lx，T2℃)和V2(0LX，T2℃)，V2受光照的伏安特性為V2(Llx，T2℃)。VR為電位器R兩端電壓，VR1 （VR2）為T1℃（T2℃）時R兩端電壓，輸出電壓VO取自R的二分之一阻值點。在緩慢變溫的場合，VO始終等于電源電壓的二分之一。只有在V2受光照后，其反向電阻變小，IR增大，但是V1、R1、V2串聯(lián)電路中流過三個元件中的電流相等，電位器R中點電位上升，輸出電壓VO2升高。達到設(shè)定照度后，D1輸出由低電平變成高電平，V3導通，繼電器吸合觸點用于控制其它電路。
作者：王建林 姜毓鋒 付佳旭 祖雪柏
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