12. Измерение параметров и характеристик фотоприемных устройств

12.1. Основные определения измеряемых параметров и характеристик

Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения (ФЭПП) (Photoelectric semiconductor detector)-фоточувствительный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике.

Фотоприемное устройство (ФПУ) - фоточувствительный полупроводниковый прибор, состоящий из фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения и схемы предварительного усиления фотосигнала в гибридном или интегральном исполнении, объединенных в единую конструкцию. Оно служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Как оптоэлектронный преобразователь, ФПУ имеет оптический вход (управляющая цепь) и электрический выход (сигнальная цепь), параметры которых должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией связи, с одной стороны, и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой требуемый преобразователь электрических сигналов: усилитель, модулятор, декодер, с другой стороны.

В зависимости от типа и режима детектирования ФПУ может работать либо в фотодиодном, либо в лавинном режимах.

Фотодиодный режим (Back-biased mode of photovoltaic detector operation) - режим работы фотодиода без внутреннего усиления при рабочем напряжении, приложенном в обратном направлении.

Лавинный режим работы фотодиода (Avalanche mode of photodiode operation) - режим работы фотодиода с внутренним усилением, который обеспечивается лавинным размножением носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода.

В обоих режимах как элемент оптической цепи ФПУ может работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах, что определяется формой оптического сигнала, поступающего на его вход. Тот или другой режим детектирования, уровни выходных сигналов, надежность их обнаружения, система обработки электрических сигналов с выхода ФПУ определяют номенклатуру основных параметров и характеристик.

Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФЭПП:

• рабочее напряжение ФЭПП (Operating voltage) - постоянное напряжение, приложенное к ФЭПП, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе;

• пробивное напряжение фотодиода (Breakdown voltage of a photodiode) − значение обратного напряжения, не вызывающего пробой фотодиода, при котором обратный ток фотодиода достигает заданного значения;

• темновое сопротивление ФЭПП (Dark resistance) - сопротивление ФЭПП в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности;

• темновой ток ФЭПП (Dark current) - ток, протекающий через ФЭПП при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности;

• фототок ФЭПП (Photocurrent) - ток, проходящий через ФЭПП при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением;

• общий ток ФЭПП (Total current) - ток ФЭПП, состоящий из темнового тока и фототока;

• напряжение фотосигнала ФЭПП (Photoelectric signal voltage) - изменение напряжения на ФЭПП, вызванное действием на ФЭПП потока излучения источника фотосигнала.

Параметры чувствительности ФЭПП:

• чувствительность ФЭПП (Responsivity) - отношение изменения электрической величины на выходе ФЭПП, вызванного падающим на него излучением к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной;

• монохроматическая чувствительность ФЭПП (Monochromatic responsivity) - чувствительность ФЭПП к монохроматическому излучению;

• спектральная характеристика чувствительности ФЭПП (Spectral sensitivity) - зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП от длины волны регистрируемого потока излучения;

• абсолютная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП (Absolute spectral-response characteristic) - зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП, измеренной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения;

• относительная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП - зависимость монохроматической чувствительности, отнесенной к значению максимальной монохроматической чувствительности, от длины волны регистрируемого потока излучения;

• длина волны максимума спектральной чувствительности ФЭПП (Peak spectral response wavelength) - длина волны, соответствующая максимуму спектральной чувствительности;

• область спектральной чувствительности ФЭПП (Spectral sensitivity range) - диапазон длин волн спектральной характеристики ФЭПП, в которой чувствительность ФЭПП составляет не менее 10% своего максимального значения;

• коротковолновая граница спектральной чувствительности ФЭПП (Short wavelength limit) - наименьшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;

• длинноволновая граница спектральной чувствительности ФЭПП (Long wavelength limit) - наибольшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;

• интегральная чувствительность ФЭПП (Total responsivity) - чувствительность ФЭПП к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава;

• частотная характеристика чувствительности ФЭПП (Frequency response characteristic) - зависимость чувствительности ФЭПП от частоты модуляции потока излучения;

• порог чувствительности ФЭПП (Noise equivalent power) - среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФЭПП модулированного потока излучения сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения, при этом полосу частот выбирают, как правило, в пределах 10% от частоты модуляции так, чтобы изменением спектральной плотности в её пределах можно было пренебречь;

Параметры шума ФЭПП:

• ток шума ФЭПП (Noise current) - среднее квадратичное значение флуктуации общего тока ФЭПП в заданной полосе частот;

• напряжение шума (Noise voltage) - среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ФЭПП в заданной полосе частот;

• спектр тока шума ФЭПП (Noise current spectrum) - распределение плотности среднего квадратичного значения тока шума ФЭПП по частотам;

• спектр напряжения шума ФЭПП (Noise voltage spectrum) - распределение плотности среднего квадратичного значения напряжения шума ФЭПП по частотам;

• фоновая характеристика тока шума ФЭПП (Noise current-background radiant flux characteristic) - зависимость тока шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;

• фоновая характеристика напряжения шума ФЭПП (Noise voltage-background radiant flux characteristic) - зависимость напряжения шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;

Параметры инерционности ФЭПП:

• переходная нормированная характеристика ФЭПП (Normalized transfer characteristic) - отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к установившемуся значению фототока при воздействии импульса излучения в форме единичной ступени, при этом импульс излучения в форме единичной ступени описывается выражением:

 

а переходная нормированная характеристика в общем случае имеет вид:

Рисунок 12.1. Переходная характеристика ФЭПП

• время нарастания переходной характеристики ФЭПП (Rise time of the normalized transfer characteristic) - минимальный интервал времени между точками переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;

• обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП (Normalized inverse transfer characteristic) – отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к начальному значению фототока при резком прекращении воздействия излучения, при этом поток излучения при резком воздействии описывается выражением:

Рисунок 12.2. Обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП

• время спада переходной характеристики ФЭПП (Decay time of the normalized inverse transfer characteristic) – минимальный интервал времени между точками обратной переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;

• предельная частота ФЭПП (Cut-off frequency) – частота синусоидально модулированного потока излучения, при котором чувствительность ФЭПП падает до значения 0.707 от чувствительности при немодулированном излучении.

Характеристики зависимости параметров ФЭПП от потока излучения:

• энергетическая характеристика фототока ФЭПП (Photocurrent-radiant flux characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;

• энергетическая характеристика фотосигнала ФЭПП (Photoelectric signal voltage-radiant flux characteristic) – зависимость параметра фототока, сопротивления, напряжения либо тока фотосигнала ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;

• лсоксамперная характеристика ФЭПП (Photocurrent-illuminance characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от освещённости или светового потока, падающего на ФЭПП.

Геометрические параметры ФЭПП:

• эффективная фоточувствительная площадь ФЭПП (Effective area of the responsive element) – площадь фоточувствительного элемента, эквивалентного по фотосигналу ФЭПП, чувствительность которого равномерно распределена по фоточувствительному элементу и равна номинальному значению локальной чувствительности данного ФЭПП, при этом в качестве номинального значения локальной чувствительности, как правило, выбирается максимальная чувствительность точки в центре ФЭПП;

• плоский угол зрения ФЭПП (Angular field of view) – угол в нормальной к чувствительному элементу плоскости между направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых напряжение или ток фотосигнала ФЭПП уменьшается до заданного уровня;

• распределение чувствительности по элементу ФЭПП (Responsivity surface distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от положения светового диода на фоточувствительном элементе;

• угловая характеристика чувствительности ФЭПП (Responsivity directional distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от угла между направлением падающего излучения и нормалью плоскости фоточувствительного элемента.

Эксплуатационные параметры ФЭПП:

• рассеиваемая мощность ФЭПП (Total power dissipation) – суммарная мощность, рассеиваемая ФЭПП и определяемая мощностью электрического сигнала и мощностью воздействующего на него излучения;

• максимально допустимая рассеиваемая мощность ФЭПП (Maximum admissible power dissipation) – максимальная электрическая мощность, рассеиваемая ФЭПП, при которой отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе;

• критическая мощность излучения для ФЭПП – максимальная мощность импульсного или постоянного излучения, при которой отклонение энергетической характеристики ФЭПП от линейного закона достигает заданного уровня;

• динамический диапазон ФЭПП (Dynamic range) – отношение критической мощности излучения для ФЭПП к порогу чувствительности ФЭПП в заданной полосе частот;

• неравномерность чувствительности ФЭПП по элементу (Spacing response non-uniformity) – разность наибольшего и наименьшего значений чувствительности ФЭПП, измеренной при перемещении в пределах фоточувствительного элемента оптического диода с заданным спектральным распределением излучения и диаметром, отнесённая к среднему значению чувствительности;

• нестабильность сопротивления ФЭПП (Resistance unstability coefficient) – отношение максимального отклонения сопротивления ФЭПП от его среднего значения при постоянной температуре и напряжении питания в течении заданного интервала времени к среднему значению;

• нестабильность тёмного тока ФЭПП (Dark current unstability coefficient) – отношение максимального отклонения тёмного тока ФЭПП от его среднего значения в течении заданного интервала времени при постоянных температуре и напряжении питания приёмника к среднему значению;

• нестабильность чувствительности ФЭПП (Response unstability coefficient) – отношение максимального отклонения напряжения фотосигнала от среднего значения в течение заданного интервала времени при постоянных значениях потока излучения, температуры и постоянном напряжении питания ФЭПП к среднему значению;

• температурный коэффициент фототока ФЭПП (Photocurrent-temperature coefficient) – отношение процентного изменения фототока ФЭПП к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды при заданной освещённости (облучённости);

• световая нестабильность ФЭПП (Light unstability) - изменения светового сопротивления ФЭПП, происходящее вследствие изменения условий освещенности при его хранении;

• временной дрейф нулевой точки координатного фотодиода (Zero drift) - смещение нулевой точки координатного фотодиода при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.