Z-半导体敏感元件原理与应用一

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=20°C或25°C
 
10
 20
 30
 31
 
阈值电压
 Vth
 V
 <10
 10~20
 20~30
 >30
 RL=5kW
 
阈值电流
 Ith
 mA
 £1
 £15
 £2
 £3
 RL=5kW
 
导通电压
 Vf
 V
 £5
 £10
 £15
 £20
 RL=5kW
 
反向电流
 IR
 mA
 £45
 £45
 £45
 £45
 E=25V
 
允许功耗
 PM
 mW
 100
 100
 100
 100
  
 
转换时间
 t
 ms
 20
 20
 20
 20
  
 
阈值灵敏度
 Sth
 mV/100lx
 -80
 -120
 -150
 -200
 RL=5kW
 
阈值灵敏度温漂
 DTth
 %/100lx×°C×FS
 >-4
 RL=5kW
 
M1区灵敏度
 SM1
 mV/100 lx
 200
 250
 300
 350
 RL=Vth/Ith
 
M1区灵敏度温漂
 DTM1
 %/100 lx×°C×FS
 >-3
 RL=Vth/Ith
 
反向灵敏度
 SR
 mV/100lx
 >800
 E=25V
 
反向灵敏度温漂
 DTR
 %/100 lx×°C×FS
 >-1
 RL=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 ：

1—0.4~1.2mm
2—0.2~1.2mm。

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100lx，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100lx~5000 lx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。
 
 

1． M1→M3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），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VO1＝VZ1＝E-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VO2＝VOL＝Vf，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：

E＝Vth2＋Ith2RL （1）

其中，负载电阻值RL一般为1~2kW，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VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。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：

DVO＝Vth2-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。

（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(1~6MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(30~40V)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，则：

VO2=E-VZ2=E-IZ2RL

反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示：

 (3)

3．M1→M3，M3→M1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VC<Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth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VC≤Vf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)

t≈RL C

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300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW~20kW，C选择范围是0.01mF~0.22mF，E应为(1.5 ~1.8) 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VZ<Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf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V2(Llx，T2℃)。VR为电位器R两端电压，VR1 （VR2）为T1℃（T2℃）时R两端电压，输出电压VO取自R的二分之一阻值点。在缓慢变温的场合，VO始终等于电源电压的二分之一。只有在V2受光照后，其反向电阻变小，IR增大，但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等，电位器R中点电位上升，输出电压VO2升高。达到设定照度后，D1输出由低电平变成高电平，V3导通，继电器吸合触点用于控制其它电路。
 

作者：王建林 姜毓锋 付佳旭 祖雪柏