Z-半导体敏感元件原理与应用一

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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

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