Химия - Резисторная оптопара - Физические свойства

Излучатели, фоторезисторы и оптическая связь

В оптопарах применяются два вида светочувствительных материалов: сульфид кадмия и селенид кадмия.

Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность, достигающую максимума в в красной области видимого спектра и захватывающую ближнюю инфакрасную область до λ = 900 нм. Они способны управлять относительно большими токами, при этом их передаточная люксамперная характеристика близка к линейной. Высокое темновое сопротивление, достигающее десятков ГОм, обеспечивает максимально возможный динамический диапазон по освещённости и наименьшие нелинейные искажения сигнала. Однако быстродействие таких фоторезисторов низкое: постоянная времени реакции на изменение освещённости достигает 140 мс при +25 °C.

Селенид-кадмиевые фоторезисторы имеют максимально возможную чувствительность, в 5-100 раз превосходяющую чувствительность сернисто-кадмиевых приборов. Максимум чувствительности лежит в красной области видимого спектра или в ближней инфракрасной области, длинноволновая граница чувствительности достигает 1100 нм. При относительно узком динамическом диапазоне и худшей линейности селенид кадмия обеспечивает лучшее быстродействие — постоянная времени не превышает 20 мс.

Оптимальными излучателями для кадмиевых фоторезисторов являются красные светодиоды на гетероструктурах AlGaAs или GaP/GaP, имеющие относительно широкие спектры излучения. Коэффициент спектральной корреляции таких оптопар достигает 35 % и 47 % соответственно.

Светимость светодиода практически пропорциональна управляющему току. Спектр излучения зависит от температуры кристалла, но температурный сдвиг спектра в пределах области безопасной работы слишком мал, чтобы нарушить спектральное согласования светодиода и фоторезистора.. Для обеспечения постоянства оптической связи излучатель и фоторезистор жёстко склеиваются прозрачным компаундом на основе эпоксидной смолы, оптического клея или вазелиноподобных полимеров. Фокусировка и узкая направленность излучения, свойственная светодиодам, в оптопарах не допускаются: если узкий пучок света падает на границу металлизации и открытой поверхности фоторезистора, то малейшее смещение излучателя относительно границы раздела существенно изменяет световой поток, улавливаемый фоторезистором. Поэтому в светодиодных оптопарах клей выполяет дополнительную функцию рассеивания света.

Передаточная характеристика

Верхняя и нижняя границы идеализированной передаточной характеристики оптопары сведотиод-фоторезистор. Динамический диапазон по обеим осям сжат для наглядности.

Передаточная характеристика идеальной РО, обычно представляемая как зависимость сопротивления фоторезистора от тока через излучатель, является производной от амперлюксной характеристики излучателя, коэффициента оптической связи излучателя и фоторезистора, спектрального согласования излучателя и фоторезистора, и люксомической характеристики фоторезистора. Как показано выше, эффективная освещённость кристалла фоторезистора светодиодом пропорциональна управляющему току во всём диапазоне паспортных токов. Для ламп накаливания связь тока и полезной освещённости можно установить только опытным путём: cветимость лампы зависит от тока нелинейно, при этом с ростом тока спектр излучения непрерывно смещается. Свойства фоторезистора также зависят от температуры, напряжения на его выводах, срока эксплуатации, но в особенности от накопленной «световой истории». Поэтому на практике передаточная характеристика представляет собой полосу вероятных значений.

Идеализированная эквивалентная схема фоторезистора.

Эквивалентная схема фоторезистора состоит из трёх сопротивлений:

• R_Т — темновое сопротивление лежит в диапазоне от единиц МОм до сотен ГОм.
• R_ОСТ — остаточное световое сопротивление полностью открытого фоторезистора. Для низкоомных фоторезисторов типичны значения от 100 Ом до 1 кОм, для высокоомных — от 2 до 20  кОм.
• R_Ф — идеальный фоторезистор, сопротивление которого обратно пропорционально освещённости. Так как R_Т на несколько порядков больше, чем R_ОСТ, то в большей части рабочего диапазона освещённостей Ф полное сопротивление определяется именно R_Ф: R  ≈ R_Ф. Динамический диапазон фоторезистора по освещённости приравнивается к отношению критической освещённости Ф_КР к порогу чувствительности Ф_П, при этом ГОСТ определяет Ф_КР как освещённость, при которой ток через фоторезистор отклоняется от идеального линейного закона зависимости = kФ) более, чем на 20 %.

R_Т и R_Ф уменьшаются c ростом напряжения на выводах фоторезистор, что порождает нелинейные искажения выходного сигнала. При малых уровнях освещённости полное сопротивление кадмиевого фоторезистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, увеличиваясь примерно на 1 % с ростом температуры на 1 °C. С ростом освещённости ТКС может и возрастать, и уменьшаться, и менять знак с положительного на отрицательный.

Эффект памяти

Переходные процессы в фоторезисторе: первичный отклик и длительная адаптация к изменению освещённости.

Кадмиевые фоторезистор обладают выраженным эффектом памяти: сопротивление фоторезистора, при прочих равных условиях, зависит от накопленной «световой истории». Фоторезистор, выдержанный в темноте в течение достаточно длительного времени, демонстрирует избыточную реакцию на свет. Непосредственно после облучения фоторезистором светом постоянной интенсивности Ф его сопротивление падает до низкого начального значение R_МИН . Затем cопротивление медленно возрастает до установившегося значения R . В обратном случае, когда фоторезистор длительное время облучался светом высокой интенсивности, с переходом к меньшему уровню освещённости Ф сопротивление возрастает до R_МАКС , а затем медленно спадает до уровня R . Изменения мощности, рассеиваемой излучателем и фоторезистором, неизбежно влияют на температуру последнего, поэтому на практике адаптация к свету сопровождается тепловым дрейфом сопротивления.

Скорость адаптации к свету нелинейно растёт с уровнем освещённости, а время адаптации к новому уровню освещённости измеряется минутами или часами. После выключения источника света сопротивление фоторезистора возрастает до R_Т, однако фоторезистор «помнит» накопленную «световую историю». Адаптация к темноте, как правило, занимает около восьми часов, но в некоторых приборах остаточные явления продолжаются неделями. На практике время гарантированной полной адаптации приравнивают к 24 часам.

Глубина эффекта памяти, выраженная как отношение R_МАКС / R_МИН, наиболее велика при малых уровнях освещённости. Для фоторезисторов современных РО производства PerkinElmer это отношение равно 1,5—1,6 при освещённости 0.1 лк; при освещённости 1000 лк оно снижается до 1,05—1,10. Ещё в 2001 году в США выпускались быстрые низкоомные фоторезисторы, у которых отношение R_МАКС / R_МИН достигало значения 5,5, но к 2009 году они были сняты с продаж. Высокоомные фоторезисторы, как правило имеют менее выраженный эффект памяти, менее зависят от температуры, и более линейны, чем низкоомные приборы, — но проигрывают им в быстродействии. В 1960-е годы были предложены фоторезисторы, у которых эффект памяти практически отсутствовал, но при высоких уровнях освещённости эти приборы демонстрировали неприемлемо высокие нелинейные искажения.

Задержка отклика

РО — медленные устройства, которым характерны два рода частотных ограничений — по входу и по выходу.

Эффективный частотный диапазон входного сигнала ограничен задержками отклика источника света на изменение входного тока и задержками отклика фоторезистор на изменение освещённости. Верхняя граница частоты управляющего сигнала РО составляет от 1 до 250 Гц, а время отклика фоторезистора на уменьшение освещённости составляет от 2.5  мс до более 1 секунды. Отклик на увеличение освещённости существенно быстрее, но на практике частотный диапазон ограничен наибольшей из задержек, то есть откликом на уменьшение освещённости. С ростом среднего уровня освещённости задержки отклика незначительно уменьшаются. Паспортные данные по задержке отклика советских РО, как правило, более консервативны, чем данные американских приборов: задержка при выключении РО в СССР по ТУ приравнивалась к времени, за которое ток через фоторезистор снизится до 20 % от начального тока. По ГОСТ 21934-83, время спада определяется как «минимальный интервал времени между точками обратной переходной нормированной характеристики со значениями 0,9 и 0,1 соответственно». Американцы же оперируют исключительно постоянной времени — временем, за которое проводимость или ток спадает до 27 % от начального значения.

Задержка включения светодиода составляет единицы или десятки наносекунд — ею на практике пренебрегают. Задержки включения и выключения лампы накаливания измеряются десятками и сотнями миллисекунд соответственно, поэтому частотный диапазон РО на лампах накаливания ограничен единицами Гц. На частотах 50-60 Гц и выше такие РО являются эффективными детекторам среднеквадратического значения тока через лампу.. РО могут управляться широтно-модулированными выходами однокристальных микроконтроллеров без дополнительной фильтрации ШИМ-сигналов.

Частотный диапазон выходного сигнала ограничен утечками тока через паразитную ёмкость РО. Металлизированные электроды, сформированные на поверхности фоторезистора, имеют значительную площадь и, как следствие — паразитную ёмкость, которая шунтирует омическое сопротивление фоторезистора, тем самым снижая динамический диапазон РО. Темновая межэлектродная ёмкость фоторезистор малогабаритных РО составляет около 3 пФ. При малых значениях освещённости полное темновое сопротивление такого фоторезистора падает до 3 МОм на верхней границе звукового диапазона и до 12 кОм на поднесущей частоте видеосигнала PAL. Поэтому практический частотный диапазон сигнала, модулируемого РО, ограничен звуковыми и ультразвуковыми частотами.

Шумы и искажения

Типичная зависимость коэффициента нелинейных искажений от напряжения на фоторезисторе.

Шумовой почерк фоторезисторов, так же как и обычных резисторов, определяется тремя механизмами возникновения шума: тепловым шумом, дробовым шумом и фликкер-шумом. В звуковом диапазоне частот наблюдаются преимущественно дробовый и фликкер-шум, на частотах свыше 10 кГц преобладает тепловой шум. На практике шумовым вкладом фоторезистора в полезный сигнал пренебрегают, если напряжение на его выводах не превышает 80 В. При превышении порога в 80..100 В отмечается существенный рост шумов.

Нелинейные искажения, порождаемые фоторезистором, зависят от приложенного к нему напряжения и от освещённости. По данным PerkinElmer, К_НИ для данного напряжения минимален при большой освещённости и малом сопротивлении фоторезистора. С уменьшением освещённости и ростом сопротивления Кни увеличивается в несколько раз. Относительная разница между минимальным и максимальным значением К_НИ для каждого типа фоторезистора практически не зависит от приложенного напряжения.

Если напряжение на фоторезисторе не превосходит порога, который для разных материалов составляет от 100 до 300 мВ, то К_НИ практически не зависит от напряжения и составляет менее 0,01 %. Природа этих остаточных искажений, в спектре которых преобладает вторая гармоника, не установлена. При превышении порога в спектре появляется третья гармоника, К_НИ увеличивается пропорционально квадрату напряжения. Приемлемый для высококачественного воспроизведения звука коэффициент нелинейных искажений в 0,1 %, как правило, обеспечивается при напряжениях сигнала до 500 мВ. Соотношением чётных и нечётных гармоник можно управлять, прикладывая к электродам фоторезистор постоянное напряжение смещения.

Тепловой режим

Советские оптопары в металлических корпусах допускали эксплуатацию при температурах окружающей среды от −60 °C до +55 °C.

Превышения максимального напряжения между выводами фоторезистора, даже кратковременные, недопустимы. Максимальное допустимое напряжение малогабаритных высокоомных фоторезисторов ограничено утечками тока по поверхности кристалла и составляет от 100 до 300 В. Максимальное допустимое напряжение низковольтных фоторезисторов устанавливается на меньших уровнях, определяемых допустимым рассеянием тепла на кристалле. И в том, и в другом случае перенапряжение вызывает катастрофическое необратимое разрушение металлизации.

Срок службы РО определяется сроком службы излучателя и допустимым диапазоном изменений свойств фоторезистор. На практике сроком службы светодиода можно пренебречь — он составляет от 10 до 20 тысяч часов, после которых начинается плавное снижение оптической отдачи. Работа на предельных токах ускоряет старение светодиодов, поэтому при постоянном включении рекомендуется ограничить ток половиной от допустимого максимума. Среднее время наработки на отказ лампы накаливания не превышает 20 тысяч часов, а сам отказ происходит почти мгновенно и необратимо: перегорает спираль лампы. Из-за низкого КПД лампы накаливания требуют большей, чем светодиоды, мощности и, как следствие, фоторезистор оптопары с лампой накаливания работает в худшем тепловом режиме.

Процесс старения фоторезистора необратим и длится в течение всей жизни прибора. Если температура кристалла фоторезистора не превышает допустимого предела, то в течение каждого года непрерывной эксплуатации темновое сопротивление фоторезистор падает на 10 %. При превышении порога старение ускоряется, при температуре +150 °C необратимые изменения сопротивления можно наблюдать на экране осциллографа — в течение нескольких минут сопротивление фоторезистора падает в несколько раз. Предельная мощность рассеяния на фоторезисторе обычно указывается для температуры окружающей среды +25 °C; для более высоких температур предельная мощность уменьшается на 2 % на каждый дополнительный градус сверх +25 °C. Стоит отметить, что благодаря большей площади кристалла фоторезисторы более устойчивы к кратковременному превышению допустимой мощности, чем современные кремниевые транзисторы с таким же паспортным значением допустимой мощности.

При низких температурах скорость отклика фоторезисторов резко снижается — фоторезисторы буквально «замерзают». После разморозки их электрические свойства полностью восстанавливаются, однако процессы теплового расширения пластиковых корпусов могут приводить к необратимым механическим повреждениям. Советские оптопары в металлических корпусах, как правило, нормировались на работу при температурах до −60°C, но на таких температурах паспортная задержка отклика удлиняется до 4 секунд.