半導體敏感元件應用分析論文

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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-元件進行應用開發時參考。

關健詞：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、開關和脈沖頻率三種輸出信號供用戶選擇。用它開發出的三端數字傳感器，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。該元件的技術參數符合QJ/HN002-1998的有關規定。

磁敏Z-元件是Z-半導體敏感元件產品系列中[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-元件及其三端數字傳感器，通過光、磁的作用，可實現對物理參數的測量、控制與報警。

二、光敏Z-元件及其技術參數

圖1電路符號與伏安特性

1．光敏Z-元件的結構、電路符號及命名方法

光敏Z-元件是一種經過重摻雜而形成的特種PN結，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參數

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區靈敏度

SM1

mV/100lx

200

250

300

350

RL=Vth/Ith

M1區靈敏度溫漂

DTM1

%/100lx×°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

%/100lx×°C×FS

>-1

RL=510kW

圖1（a）為結構示意圖，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與國際兩種：

國內命名法：

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區為高阻區（幾十千歐~幾百千歐）。pf段M2區為負阻區，fm段M3區為低阻區（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區電壓的最小值。If叫導通電流，是對應Vf的電流，也是M3區電流的最小值。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參數

光敏Z-元件的分檔代號與技術參數見表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的關系參看圖3。

光敏Z-元件的正向特性還具有光生伏特現象，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~5000lx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的關系。其特性如圖2（b）。可以看出其反向電阻隨照度增加而減小，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。考慮到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的溫漂，因此在光開關電路中，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轉換，輸出負階躍開關信號電路［3］，［4］

負階躍開關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，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，Q2點在幾微秒之內即達到了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信號。為了得到一個負階躍開關信號，在照度為L2時，工作點Q2與閾值點Vth2重合，電路中各參數必須滿足的條件可用下述狀態方程描述：

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，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，這個開關信號的振幅為DVO：

DVO＝Vth2-Vf（2）

公式（1）告訴我們為了要得到負階躍開關信號，E、Vth2、Ith2三者之間的關系。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濟的。也就是說，照度選擇要適當。

（2）在應用的范圍內，在無光照不輸出負階躍開關信號的情況下，工作點Q1選擇應盡量偏右，這樣有利于減小監控或報警照度。

（3）供電的直流電源應是一個小功率可調電源。在照度L2監控或報警時，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，呈現一個高電阻(1~6MW)，這個電阻具有負的光照系數，并在較高電壓(30~40V)下，不發生擊穿現象。圖5為反向應用電路及工作狀態解析圖。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，再串聯一負載電阻RL，即可構成光頻轉換器，如圖6所示，達到了用光敏Z-元件實現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，當VC≥Vth時，Z-元件迅速由M1區經M2區工作在M3區。M3區是低阻區，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區回到M1的高阻區，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的脈沖頻率信號。信號頻率用f表示：

(4)

t≈RLC

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

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。有二個穩定的工作區，即高阻M1區，和低阻M3區。在VZ<Vth時，工作在高阻M1區，在VZ≥Vth時，迅速越過負阻M2區，工作在低阻M3區，當VZ≤Vf時，又恢復到高阻M1區。有三個基本應用電路，即開關電路，反向模擬電路和脈沖頻率電路。有四個主要參數：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-元件互換位置后構成的正階躍開關電路與輸出信號波形；表2-5是表2-2中RL與Z-元件互換位置后構成的NTC電路。

光敏Z-元件的電參數中Vf的溫度系數稍小，Vth、Ith、IR三個參數的溫度系數稍大。在要求較高的場合，應當采用電路補償或元件補償，使之滿足設計要求。

六、光敏Z-元件應用示例

1．有溫度補償的光開關電路

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。