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Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用一
摘要：本文重點(diǎn)介紹光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型應(yīng)用電路、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用示例，供廣大用戶利用光、磁敏Z-元件進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)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(dǎo)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(yīng)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(qiáng)等特點(diǎn)。能提供模擬、開關(guān)和脈沖頻率三種輸出信號(hào)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(jì)算機(jī)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(dǎo)體敏感元件產(chǎn)品系列中[3]第三個(gè)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(yīng)用電路極其簡單，在磁場的作用下，能輸出模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)，而且輸出信號(hào)的幅值大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。
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(shí)現(xiàn)對物理參數(shù)的測量、控制與報(bào)警。
二、 光敏Z-元件及其技術(shù)參數(shù)
圖1 電路符號(hào)與伏安特性
1． 光敏Z-元件的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及命名方法
光敏Z-元件是一種經(jīng)過重?fù)诫s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(hào)與技術(shù)參數(shù)
名稱
符號(hào)
單位
閾值電壓分檔代號(hào)
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(dǎo)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(shí)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(hào)。元件引腳有標(biāo)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(yīng)波長代號(hào) ：
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(fù)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(shí)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(yīng)的電流。Vf叫導(dǎo)通電壓，是M3區(qū)電壓的最小值。If叫導(dǎo)通電流，是對應(yīng)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(shí)反向電壓VR為25V時(shí)測量的，其值（微安級(jí)）很小。
3． 光敏Z-元件的分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù)
光敏Z-元件的分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù)見表1。其分檔代號(hào)按Vth值的大小排列。型號(hào)分二種，按其響應(yīng)波長分。目前產(chǎn)品波長代號(hào)皆為1。
三、 光敏Z-元件的光敏特性
1． 無光照時(shí)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(shí)照度由小到大，每次遞增100lx，用數(shù)字照度計(jì)校準(zhǔn)，然后測量Z-元件的正向特性，記錄不同照度時(shí)的Vth、Ith、Vf 。從測試可知，光敏Z-元件的閾值點(diǎn)P(Vth,Ith)隨著照度的增加，一直向左偏上方向移動(dòng)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(dòng)勢為200mV左右，短路電流隨光照增強(qiáng)而增大。當(dāng)照度為100lx~5000 lx時(shí)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(jì)校準(zhǔn)，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(qiáng)而變大。
四、 光敏Z-元件的應(yīng)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(yīng)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(yīng)當(dāng)有抗溫度干擾的余量，在模擬應(yīng)用電路中，應(yīng)采用具有抗溫漂自動(dòng)補(bǔ)償電路。
1． M1→M3轉(zhuǎn)換，輸出負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)電路［3］，［4］
負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)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(shí)，OP1為光敏Z-元件M1區(qū)特性，閾值點(diǎn)為P1（Vth1，Ith1），E為電源電壓，以負(fù)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(shí)的工作點(diǎn)其坐標(biāo)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(shí)，閾值點(diǎn)P1移至P2，并剛好在直線（E，E/RL）上，這時(shí)Q2與P2重合。光敏Z-元件開始進(jìn)入了負(fù)阻M2區(qū)，Q2點(diǎn)在幾微秒之內(nèi)即達(dá)到了f點(diǎn)［5］，其坐標(biāo)為f（Vf，If）。此時(shí)輸出電壓為VO2＝VOL＝Vf，輸出端輸出一個(gè)負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)。為了得到一個(gè)負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)，在照度為L2時(shí)，工作點(diǎn)Q2與閾值點(diǎn)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＋I(xiàn)th2RL （1）
其中，負(fù)載電阻值RL一般為1~2kW，選擇原則是，當(dāng)在照度L2時(shí)，Z-元件工作在M3區(qū)，工作點(diǎn)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(gè)開關(guān)信號(hào)的振幅為DVO：
DVO＝Vth2-Vf （2）
公式（1）告訴我們?yōu)榱艘玫截?fù)階躍開關(guān)信號(hào)，E、Vth2、Ith2三者之間的關(guān)系。這時(shí)還要考慮以下幾個(gè)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?xí)l(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(jì)的。也就是說，照度選擇要適當(dāng)。
（2）在應(yīng)用的范圍內(nèi)，在無光照不輸出負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)的情況下，工作點(diǎn)Q1選擇應(yīng)盡量偏右，這樣有利于減小監(jiān)控或報(bào)警照度。
（3）供電的直流電源應(yīng)是一個(gè)小功率可調(diào)電源。在照度L2監(jiān)控或報(bào)警時(shí)，其值應(yīng)與（1）式計(jì)算值相等。
2． 反向應(yīng)用輸出模擬電壓信號(hào)
Z-元件反向電流極小，呈現(xiàn)一個(gè)高電阻(1~6MW)，這個(gè)電阻具有負(fù)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(yīng)用電路及工作狀態(tài)解析圖�？梢钥闯鲈跓o光照時(shí)，L1=0，工作點(diǎn)為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓為VO1，則：
VO1=E-VZ1=E-IZ1RL
當(dāng)光照為L2時(shí)，伏安特性上移，工作點(diǎn)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(hào)
該電路僅需三個(gè)元件，用一個(gè)小電容器與Z-元件并聯(lián)，再串聯(lián)一負(fù)載電阻RL，即可構(gòu)成光頻轉(zhuǎn)換器，如圖6所示，達(dá)到了用光敏Z-元件實(shí)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(shí)，電源通過RL對電容器充電，當(dāng)VC<Vth時(shí)，Z-元件工作在M1區(qū)，當(dāng)VC≥Vth時(shí)，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(dāng)放電至VC≤Vf時(shí)，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(fù)始重復(fù)上述過程，由輸出端輸出后沿觸發(fā)的脈沖頻率信號(hào)。信號(hào)頻率用f表示：
(4)
t≈RL&n
bsp;C
從式(4)可以看出，光照越強(qiáng)，Vth越小，而Vf基本不變，因而頻率上升的越高。在弱光和強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用電路可以概括為：一個(gè)特殊的點(diǎn)，即閾值點(diǎn)P（Vth，Ith），該點(diǎn)的電壓靈敏度為負(fù)，電流靈敏度為正。有二個(gè)穩(wěn)定的工作區(qū)，即高阻M1區(qū)，和低阻M3區(qū)。在VZ<Vth時(shí)，工作在高阻M1區(qū)，在VZ≥Vth時(shí)，迅速越過負(fù)阻M2區(qū)，工作在低阻M3區(qū)，當(dāng)VZ≤Vf時(shí)，又恢復(fù)到高阻M1區(qū)。有三個(gè)基本應(yīng)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(gè)主要參數(shù)：即Vth、Ith、 Vf、IR。
上述三個(gè)基本應(yīng)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(hào)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(gè)參數(shù)的溫度系數(shù)稍大。在要求較高的場合，應(yīng)當(dāng)采用電路補(bǔ)償或元件補(bǔ)償，使之滿足設(shè)計(jì)要求。
六、 光敏Z-元件應(yīng)用示例
1．有溫度補(bǔ)償?shù)墓忾_關(guān)電路
該電路使用兩個(gè)光敏Z-元件，并做反向應(yīng)用，要求兩個(gè)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(shí)R兩端電壓，輸出電壓VO取自R的二分之一阻值點(diǎn)。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(gè)元件中的電流相等，電位器R中點(diǎn)電位上升，輸出電壓VO2升高。達(dá)到設(shè)定照度后，D1輸出由低電平變成高電平，V3導(dǎo)通，繼電器吸合觸點(diǎn)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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