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王建林 姜毓锋 付佳工学专栏:Z-半导体敏感元件原理与应用二

作者:江苏天源    添加时间:2014/9/29 9:02:27    浏览量:

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 (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。