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1、1Z-半导体敏感元件原理与应用二三、 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)，
2、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 100lx5000 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。2四、 光
3、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 M1M3 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
4、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VO1VZ1E-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 VO2VOLVf，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： EVth2Ith2RL （1） 其中，负载电阻
5、值 RL 一般为 12kW，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 VZ2Vf，电流为 IZ2If，电压与电流之积3为 VfIfP，并且 PPM50mW。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： DVOVth2-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。
6、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(16MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(3040V)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
7、移，工作点由 Q1 移至 Q2（VZ2，IZ2），输出电压为4VO2，则： VO2=E-VZ2=E-IZ2RL 反向光电压灵敏度用 SR(mV/100lx)表示：(3)3M1M3，M3M1 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VCVth 时，Z-元件工作在 M1 区，当 VCVth 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
8、 Z-元件放电，当放电至 VCVf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)tRL 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 3001000lx 有较高频率灵敏度。RL 值选择范围是 8.2kW20kW，C 选择范围是 0.01mF0.22mF，E5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。
