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：
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