Тема 5. Оптичекие приемники излучения

5.1. Поглощение света в твердых телах.

Фотоприемник (ФП) – это оптоэлектронный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую энергию.

При взаимодействии оптического излучения с веществом энергия фотонов передается электронам вещества. Для твердых и жидких тел различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором поглощение фотонов вызывает образование дополнительных свободных носителей заряда внутри ФП. На основе внешнего фотоэффекта создаются вакуумные фотоэлектрические приборы, на основе внутреннего – твердотельные полупроводниковые приборы.

Параметры фотоэффекта

Эффективность протекания фотоэлектрических процессов характеризуется квантовым выходом η_ф, который равен отношению числа генерируемых пар электрон-дырка к числу поглощенных фотонов излучения.

η_{ф =(} n_э +n_д)/n_ф

Поглощаемое излучение характеризуется глубиной поглощения χ₀ или показателем поглощения 1/ χ₀, определяемое формулой

1/ χ₀ = -1/Ф(х)∙dФ/dx,

где Ф(х)- поток излучения на расстоянии х от поверхности полупроводника.

Изменение падающего на поверхность потока излучения по глубине показано на рис.

Изменение потока излучения по глубине описывается выражением

Ф(х)=Ф₀exp(-x/ χ₀),

где Ф₀ – поток на поверхности полупроводника,

χ₀ - глубина слоя поглощающего вещества, после прохождения которого поток излучения уменьшается в е раз.

5.2. Классификация фотоприемников, основные параметры и характеристики.

ФП, использующие внутренний фотоэффект, можно подразделить на следующие:

- фотодиоды (с p-n – переходом, лавинные, p-i-n – фотодиоды);

- фототранзисторы;

- фототиристоры;

- фоторезисторы.

Основными параметрами фотоприемников являются:

- внутреннее (темновое) сопротивление R_т;

- постоянная времени (инеционность) τ;

- уровень шумов, оцениваемый дисперсией шума σ_ш;

- чувствительность S;

- порог чувствительности Ф_п;

- обнаружительная способность D.

Внутреннее (темновое) сопротивление R_т – это сопротивление чувствительного элемента ФП при отсутствии облучения. Темновое сопротивление у большинства ФП нестабильно во времени и сильно изменяется в зависимости от окружающих условий. На рис. приведена зависимость темнового сопротивления сернисто-свинцового фоторезистора от температуры. Из рисунка видно, что его сопротивление резко увеличивается при охлаждении. Изменение R_т оказывает большое влияние на величину сигнала, получаемого от ФП.

Шумы фотоприемников

Рассмотрим основные виды шумов ФП.

Тепловые шумы связаны с колебаниями концентрации свободных носителей заряда из-за их теплового движения. Величина тепловых шумов может быть определена по формуле Найквиста

σ_т² = 4kTR_т∆f,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура ФП в Кельвинах;

∆f – полоса частот, в которой работает ФП.

Токовые (дробовые) шумы вызываются колебанием числа электронов, проходящих через ФП при неизменном внешнем напряжении. Они определяются случайным характером процессов генерации, рекомбинации и диффузии электронов и дырок.

Дисперсия дробового шума может быть определена из выражения

σ_д²= 2eI_ср∆f,

где e – заряд электрона;

I_ср – среднее значение тока, протекающего через ФП.

Радиационные (фоновые) шумы появляются при изменении температуры ФП в результате теплообмена между ФП и окружающей средой (фоном). Теплообмен приводит к появлению некоторого изменяющегося во времени излучения. Этот вид шумов характерен для ФП ИК – диапазона. Шумы, вызванные флуктуациями температурного излучения, пропорциональны изменением потока ∆Ф.

σ_р² = n∆Ф,

где n – коэффициент пропорциональности.

В различных видах ФП может преобладать тот или иной вид шума. При наличии различных компонентов шума общая дисперсия шумов приемника может быть вычислена по формуле

σ_ш² = σ_т²+ σ_д² + σ_р²

Чувствительность ФП – это реакция ФП на единичный входной сигнал. В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе ФП различают токовую S_i, и вольтовую S_u чувствительность.

S_i=I/Ф, S_u=U/Ф

Различают также статическую чувствительность, определяемую приведенными выше зависимостями и дифференциальную чувствительность

S_i=dI/dФ. S_u=dU/dФ

Спектральная чувствительность S_λ – это зависимость чувствительности ФП от длины волны.

Порог чувствительности определяется в виде минимальной интенсивности падающего на ФП излучения, вызывающая на выходе сигнал, равный напряжению шумов.

Если известна облученность приемника Е_е, то с учетом площади его чувствительного элемента q, формула для порога чувствительности примет вид

Ф_п=(U_ш/U_c)∙ Е_е q,

где U_c – полезный сигнал на выходе ФП,

U_ш – сигнал шума.

Так как величина шума зависит от полосы частот ∆f, то и порог чувствительности зависит от полосы частот.

Для удобного сравнения различных ФП вводится понятие порога чувствительности Ф_п1 в единичной полосе частот

Ф_п1= Ф_п/∆f=( U_ш/U_c)∙ Е_е q/∆f

Величина обратная Ф_п1 называется обнаружительной способностью приемника D.

Характеристики фотоприемников

Спектральная характеристика – изменение параметров ФП в зависимости от длины волны принимаемого излучения S_ф(λ).

Вольтамперная характеристика - зависимость тока ФП от величины приложенного напряжения I_ф(U) при постоянном потоке излучения Ф.

Энергетическая (световая) характеристика – зависимость тока ФП от входного потока, падающего на ФП I_ф(Ф).

Вид характеристик определяется типом ФП.