Z-半导体敏感元件原理与应用一_电子信息和通信论文
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 。
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
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
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 。
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
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