Глава 8. Приемники оптического излучения
8.1. Параметры приемников оптического излучения
Приемники излучения – это устройства, предназначенные для регистрации оптических сигналов в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Их действие основано на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии: электрическую, тепловую, химическую, акустическую.
Приемники излучения оцениваются совокупностью параметров с характеристиками, которые определяют их основные свойства и возможность применения для различных целей.
Параметр – величина, служащая критерием качества данного устройства при его работе в определенных условиях. К важнейшим параметрам относятся: электрические, спектральные, шумовые, параметры чувствительности и инерционности.
Характеристика – зависимость, описывающая изменение какого либо параметра при изменении внешних факторов. Основными характеристиками приемников излучения являются спектральные, вольтовые, токовые, температурные, электрические.
Далее совместно рассмотрены основные параметры и характеристики приемников излучения.
Параметры чувствительности. Чувствительность приемника определяется как отношение значения выходного электрического сигнала детектора к среднеквадратичному значению входной мощности излучения w:
(8.1)
Чувствительность является функцией длины волны λ, температуры T и рабочей частоты f. На практике часто пользуются понятиями «чувствительность по напряжению» (В/Вт) или «чувствительность по току» (А/Вт), применительно к реальной схеме его включения.
Порог чувствительности или мощность, эквивалентная шуму (NEP, Noise Equivalent Power), - это минимальное значение входной величины (падающего на детектор излучения), при которой отношение выходной величины, uc к уровню всех помех на выходе uш равно 1 (uc/uш = 1). Обычно эту величину относят к полосе пропускания усилительной системы ∆f:
[Вт/Гц1/2]
(8.2)
Порог чувствительности является основным параметром приемника излучения, характеризующим его способность обнаруживать малые потоки излучения. В настоящее время в качестве основной характеристики приемника пользуются иной величиной – обнаружительной способностью.
Обнаружительная способность D*, строго говоря, есть просто величина, обратная порогу чувствительности. Но более широко используется величина D*, умножением 1/P на SA1/2 (где S – площадь). Таким образом,
[см·Гц1/2·Вт-1]
(8.3)
Количественная характеристика D* позволяет сравнивать приемники похожего типа, но имеющие различные площади. Для измерения D* и P используются излучение определенной длины волны или абсолютно черное тело заданной температуры. Указывают также частоту модуляции, т.к. uш зависит от частоты.
Спектральная чувствительность характеризует изменение выходного сигнала приемника S(λ) в зависимости от длины волны монохроматического потока излучения. Чаще всего измеряется относительная спектральная характеристика
(8.4)
где
- максимальная монохроматическая
чувствительность.
Параметры инерционности. При мгновенном увеличении или уменьшении падающего оптического потока выходной сигнал приемника достигает значения отвечающего величине потока не сразу, а через определенный промежуток времени.
Постоянная времени τ – время, за которое сигнал на выходе приемника вырастает от нуля до значения, равного 0,63 от стационарного значения. Этот параметр служит мерой способности приемника регистрировать оптические сигналы минимальной длительности – инерционность приемника.
Частотная характеристика – зависимость чувствительности приемника от частоты модуляции падающего на него излучения:
(8.5)
где S0 – чувствительность приемника при частоте модуляции потока, близкой к нулю.
Параметры шума. Помимо полезного сигнала на выходе приемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой – шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к приемнику и прибору в целом. При любых практических применениях приемника важную роль играет шум, ограничивающий предельные характеристики системы. Если выходной сигнал приемника мал, то система может быть ограничена шумом, например, усилителя, используемого для усиления фотоответа приемника. Когда выходной сигнал приемника достаточно велик, ограничивающим фактором могут быть его собственные шумы.
Тепловой шум, или шум Джонсона. Источником его является тепловое движение носителей заряда в материале приемника излучения, в целом находящимся в тепловом равновесии. Если сопротивление R находится при температуре T, то на концах его возникает флуктуационное напряжение, среднеквадратичное значение которого обозначим через ΔVДж. Величина этого напряжения на выходе измерительной аппаратуры, имеющей ширину полосы Δf, составляет:
(8.6)
Это напряжение не зависит от частоты вплоть до частот порядка обратного времени свободного пробега электронов (~ 1012 Гц).
Генерационно - рекомбинационный шум связан с флуктуациями переходов, приводящих к генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводнике, и проявляется, как флуктуация числа носителей заряда. Соответствующее выражение для среднеквадратичной величины флуктуационного напряжения в полосе Δf имеет вид:
(8.7)
где Neff – эффективное число носителей во всем образце.
Шум p-n - перехода. Этот шум встречается в элементах с потенциальным барьером, в приемниках с p-n - переходом. Шум обусловлен случайным характером генерации и рекомбинации носителей, приводящих к флуктуациям концентрации носителей (в особенности концентрации неосновных носителей), а также случайным характером диффузии носителей через переход. Довольно часто в литературе шум перехода называют дробовым шумом. При низких частотах шум p-n-перехода можно представить как дробовой шум, обусловленный суммарным током в прямом направлении с добавлением к нему дробового шума, вызываемого обратным током.
Поскольку шумы, или флуктуации, являются случайными процессами, их принято обычно описывать такими числовыми характеристиками, как среднее квадратичное значение или дисперсией, приходящейся на единицу полосы частот. Вводится такая характеристика, как спектр мощности шума – зависимость, описывающая распределение дисперсии шума по частотам.