Z半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用一

1、Z半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用一    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(dǎo)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(yīng)用電路極其簡單，在

2、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 1020 2030

3、 >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&

4、#215;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(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

5、長代號 ： 10.41.2mm 20.21.2mm。 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(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

6、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(yīng)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?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(zhǔn)，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

7、)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(dāng)照度為100lx5000 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(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而變

8、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補償電路。1 M1M3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

9、工作點其坐標(biāo)為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓VO1VZ1E-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(biāo)為f（Vf，If）。此時輸出電壓為VO2VOLVf，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： EVth2Ith2RL （1） 其中，負載電阻值RL一般為12kW，選擇原則是，當(dāng)在照度L2時，Z-元件工作在M3區(qū)，工作點Q2

10、的電壓為VZ2Vf，電流為IZ2If，電壓與電流之積為VfIfP，并且PPM50mW。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： DVOVth2-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?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)，在無光照不輸出負階躍開關(guān)信號的情況下，工作點Q1選擇應(yīng)盡量偏右，這樣有利于減小監(jiān)控

11、或報警照度。 （3）供電的直流電源應(yīng)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(yīng)與（1）式計算值相等。 2 反向應(yīng)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(16MW)，這個電阻具有負的光照系數(shù)，并在較高電壓(3040V)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，L1=0，工作點為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓為VO1，則： VO1=E-VZ1=E-IZ1RL 當(dāng)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

12、：(3) 3M1M3，M3M1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(dāng)VC<Vth時，Z-元件工作在M1區(qū)，當(dāng)VCVth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(dāng)放電至VCVf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(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。信號頻率用f表示： (4)

13、tRL 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3001000lx有較高頻率靈敏度。RL值選擇范圍是8.2kW20kW，C選擇范圍是0.01mF0.22mF，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

14、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VZVth時，迅速越過負阻M2區(qū)，工作在低阻M3區(qū)，當(dāng)VZVf時，又恢復(fù)到高阻M1區(qū)。有三個基本應(yīng)用電路，即開關(guān)電路，反向模擬電路和脈沖頻率電路。有四個主要參數(shù)：即Vth、Ith、 Vf、IR。 上述三個基本應(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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)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)，V