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Z-半导体敏感元件原理与应用一

作者:未知 来源:应用文写作网 加入时间:2005-12-29 月光软件站



摘要:本文重点介绍光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型应用电路、设计方法和应用示例,供广大用户利用光、磁敏Z-元件进行应用开发时参考。 

关健词:Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器

一、 前言 

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 


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