12. Фотодетекторлардың параметрлері мен сипаттамаларын өлшеу
12.1. Өлшенетін параметрлер мен сипаттамалардың негізгі анықтамалары
Жартылайөткізгіштегі фотоэлектрлік әсерге негізделген фотоэлектрлік жартылай өткізгіш сәулелену детекторы (фотоэлектрлік жартылай өткізгіш детектор) -фотосенситивтік жартылай өткізгіш құрылғы.
Photodetector (FPU) фотоэлектрлік жартылай өткізгіш сәулелену қабылдағыштан тұратын және фотокесептік сезімтал жартылай өткізгіш құрылғы болып табылады және гибридті немесе интегралдық құрылымда бірыңғай құрылымға біріктірілген фотосигналдың алдын ала күшейту схемасы.
Ол қабылдау (анықтау) және электр сигналдар оптикалық сигналдарды түрлендіру үшін қызмет етеді. оптоэлектронного түрлендіргіші ретінде, FPU кез келген қалаған түрлендіргіштен электр сигналдар, оның ішінде оптикалық кірісті (бақылау тізбегі) және бір жағынан, және электр жүктемесі параметрлері радиация көзінен және оптикалық байланыс желісінің сәйкес болуы тиіс электр шығысын (сигнал тізбегі), бар : күшейткіш, модулятор, декодер, екінші жағынан.
анықтау ПД түріне және режиміне қарай фотодиода немесе көшкін режимінде немесе қызмет етуі мүмкін.
Фотодизод режимі (фотовольтаикалық детектордың жұмыс істеудің кері режимі) - кері бағытта қолданылатын кернеу кезінде ішкі күшейтусіз фотодиодты пайдалану режимі.
Фотододты жұмыс істеудің ақбөкенділігі режимі (фотодизодты жұмыс істеудің ақбөкенді режимі) - электронды есігінің кері жылжуымен заряд тасымалдаушылардың көшкін көбейтуімен қамтамасыз етілетін ішкі күшейткішпен фотододты жұмыс режимі.
Екі режимде оптикалық тізбектің элементі ретінде FPU аналогты және цифрлық режимдерде жұмыс істей алады, ол оптикалық сигналдың кірісін енгізу арқылы анықталады. Бұл немесе басқа анықтау режимі, шығыс сигналдарының деңгейі, оларды анықтаудың сенімділігі, FPU шығуынан электр сигналдарын өңдеу жүйесі негізгі параметрлер мен сипаттамалардың номенклатурасын анықтайды.
Кернеулердің, кедергілер мен токтардың параметрлері FEPP:
• FEPP жұмыс кернеуі (Операциялық кернеу) - FEPP-ге қолданылатын тұрақты кернеу, онда ұзақ мерзімді перспективада номиналды параметрлер ұсынылады;
Фотододтың бұзылу кернеуі - фотодиодтың кері ағысы алдын ала анықталған мәнге жеткен фотододтың бұзылуына әкелмейтін кері кернеудің мәні;
• қараңғы қарсылық - оның спектрлік сезімталдық ауқымында кездейсоқ сәулелену болмағанда FEPP қарсылығын;
• Қараңғы қарсылық - спектрлік сезімталдықтың ауқымында кездейсоқ сәулелену болмағанда FEPP қарсылығын;
• қараңғы ток (қараңғы ток) - спектрлік сезімталдық диапазонында сәулелену ағыны болмаған кезде оған белгіленген кернеуде FEPP арқылы ағатын ток;
• photocurrent FEPP (Photocurrent) - берілген кернеуде FEPP арқылы өтетін ток, тек осы спектральды бөлу арқылы радиациялық ағынның әсерінен;
• жиынтық ток FEPP (жалпы ток) - қараңғы ток және фототүрілуден тұратын ток FEPP; • фотоэлектрлік сигнал кернеуі (фотоэлектрлік сигнал кернеуі) - фотоэлементте фото-сигнал көзінің әсерінен фотоселедегі кернеу өзгеруі.
FEPP сезімталдығының параметрлері:
Жауапкершілік - бұл радиацияның әсерінен туындаған сәулеленудің нәтижесінде туындаған сәулеленудің кез-келген энергиясы немесе фотометриялық мәнімен ұсынылған FEPP-нің электрлік санының өзгеру коэффициенті;
монохроматикалық сезімталдық FEPP (монохроматикалық жауаптылық) - монохроматикалық сәуле шығару үшін FEPP сезімталдығы;
FEPP сезімталдығының спектральдық сипаттамасы (Spectral sensitivity) - тіркелген радиациялық ағынның толқын ұзындығына FEPP-ның монохроматикалық сезімталдығынан тәуелділігі;
Шу параметрлері FEPP:
• шуылдың ток шуылы - берілген жиілік диапазонында FEPP жалпы токының орташа квадраттық ауытқу шамасы;
• шуылдың кернеуі - берілген жиілік диапазонындағы FEPP тізбегіндегі берілген жүктеме кезінде кернеудің ауытқуының орташа квадраттық мәні;
• шу ток спектрі (шу ток спектрі) - жиіліктегі FEPP орташа квадрат шуының ток тығыздығын бөлу;
• шуылдың кернеу спектрі (шуылдың кернеу спектрі) - жиіліктегі FEPP шуының кернеуінің орташа квадраттық мәнінің тығыздығын бөлу;
фондық сипаттамасы ток шу ФЭПП (Noise current-background radiant flux characteristic) - ток тәуелділігі шу ФЭПП молулденбеген сәулелену ағынының фоны;
фондық сипаттамасы кернеу шу ФЭПП (Noise voltage-background radiant flux characteristic) - тәуелділігі кернеу шу ФЭПП молулденбеген сәулелену ағынының фон;
ФЭПП инерцииалды өлшемі:
өткізу сәйкестігінң сипаттамасы ФЭПП (Normalized transfer characteristic) - - фото тоғына қатынасы сипаттайтын реакция ФЭПП уақытына байланысты, орналасу мәніне фототоққа әсері кезінде импульстің сәулелену түрінде бірлік сатылы, бұл кезде серпін сәулелену түрінде бірлік сатысында сипатталады:
ал өтпелі нормалық
сипаттамасы жалпы жағдайда түрі
мынадай:
Сурет 12.1. Өтпелі сипаттамасы ФЭПП
уақытың өтпелі сипаттамалары ФЭПП (Rise time of the normalized transfer characteristic) - ең аз уақыт аралығын нүктелер арасындағы өтпелі нормаланған сипаттамалары ФЭПП мәндермен 0.1 0.9 ауыстырылсын;
кері өтпелі нормаланған сипаттамасы ФЭПП (Normalized inverse transfer characteristic) – фототоққа қатынасын сипаттайтын реакция ФЭПП уақытқа қарай бастапқы мәніне фототоқ кезінде күрт тоқтауына әсерін сәулелену кезінде сәулелену ағынының күрт төмендеуі кезінде әсерімен сипатталады білдіру:
Сурет 12.2. ФЭПП кері өтпелі нормаланған сипаттамасы
құлдыраудың өтпелі сипаттамалары ФЭПП (Decay time of the normalized inverse transfer characteristic) – ең аз уақыт аралығын нүктелер арасындағы кері өтпелі нормаланған сипаттамалары ФЭПП мәндермен 0.1 0.9 ауыстырылған;
• шекті жиілігі ФЭПП (Cut-off frequency) – жиілігі синусоидально модулированного ағынының сәулелену сезімталдығы ФЭПП дейін төмендеп кетеді, маңызы бар 0.707 сезімталдығына кезінде модулданбаған сәулелену.
ФЭПП өлшемдерінің сәулелену ағынына байланысты сипаттамалары:
ФЭПП фототоғының энергетикалық сипаттамасы (Photocurrent-radiant flux characteristic) – ФЭПП тәуелділік фототоққа барысы немесе ағынының тығыздығы сәулеленуіне арналған ФЭПП;
ФЭПП фотосигналының энергетикалық сипаттамасы (Photoelectric signal voltage-radiant flux characteristic) – фототоқ тәуелділігініңөлшемдері, кедергі, кернеу немесе ток ФЭПП фотосигналы барысы немесе ағынының тығыздығы сәулеленуіне арналған ФЭПП;
• ФЭПП лсоксамперлік сипаттамасы (Photocurrent-illuminance characteristic) – ФЭПП фототоққа тәуелділік жарықтандыру немесе жарық ағынынан құлайтын ФЭПП.
ФЭПП геометриялық өлшемдері:
ФЭПП тиімді фотосезімділік алаңы (Effective area of the responsive element) – алаң фотосезімділік элементтің эквиваленттік бойынша ФЭПП фотосигналы, сезімталдығы, оның біркелкі бөлінуі бойынша фотосезімділік элементі және тең номиналды мәніне жергілікті сезімталдықтың осы ФЭПП, бұл ретте, номиналды маңызы бар қаланың жергілікті сезімталдығы әдетте таңдалады ең жоғары сезімталдық нүктелері орталығында ФЭПП;
• жазық бұрыш көру ФЭПП (Angular field of view) – бұрыш қалыпты чувствительному элементі жазықтық арасындағы құлау бағыттары параллель сәуле шоғыры, кернеу немесе ток фотосигнала ФЭПП азаяды берілген деңгейге дейін;
бөлу сезімталдық элементі бойынша ФЭПП (Responsivity surface distribution) – тәуелділігі сезімталдығын ФЭПП жылғы ережені жарық диодтан арналған фоточувствительном элементі;
бұрыштық сипаттамасы сезімталдық ФЭПП (Responsivity directional distribution) – тәуелділігі сезімталдығын ФЭПП бұрышынан арасындағы бағыты құлайтын сәуле және нормалью жазықтықта фоточувствительного элемент.
Пайдалану параметрлері ФЭПП:
• рассеиваемая қуаты ФЭПП (Total power dissipation) – жиынтық қуаты, рассеиваемая ФЭПП айқындалатын қуаты электрлік сигналдың қуаты воздействующего оған сәулелену;
• барынша рұқсат етілген рассеиваемая қуаты ФЭПП (Maximum admissible power dissipation) – ең көп электр қуаты, рассеиваемая ФЭПП, оның ауытқуы оның параметрлерін номиналды мәнінен аспайды көрсетілген шектерден кезінде ұзақ жұмыс;
• сыни қуаты сәулелену үшін ФЭПП – ең жоғары қуаты импульсті немесе тұрақты сәулелену кезде ауытқу энергетикалық сипаттамалары ФЭПП желілік заңының жетеді берілген деңгейіне;
• динамикалық диапазоны ФЭПП (Dynamic range) – қатынасы сыни сәулелену қуаты үшін ФЭПП шегіне сезімталдық ФЭПП берілген жиілік жолағында;
• біркелкі еместігі, сезімталдығының ФЭПП элементі бойынша (Spacing response non-uniformity) – айырмашылық ең үлкен және ең кіші мәндерін сезімталдық ФЭПП өлшенген өткізу кезінде шегінде фоточувствительного элементі оптикалық диодтан берілген спектральным таратумен сәулелену және диаметрі жатқызылған орташа мәні сезімталдық;
• тұрақсыздығы кедергі ФЭПП (Resistance unstability coefficient) қатынасы максималды ауытқу кедергісі ФЭПП оның орташа мәнінен тұрақты температурада және кернеу қоректендіру ішінде берілген уақыт аралығының орташа мәні;
• тұрақсыздық қоңыр ток ФЭПП (Dark current unstability coefficient) қатынасы максималды ауытқу қоңыр ток ФЭПП оның орташа мәнінен ішінде берілген уақыт аралығының кезінде тұрақты температура және кернеу азық-қабылдағыштың орташа мәні;
• тұрақсыздық сезімталдық ФЭПП (Response unstability coefficient) қатынасы максималды кернеудің ауытқу фотосигнала орта маңызы бар қала ішінде берілген уақыт аралығының тұрақты мәндері ағынының сәулелену, температура және тұрақты кернеу қорек ФЭПП орташа мәні;
• температуралық коэффициенті фототока ФЭПП (Photocurrent-temperature coefficient) – пайыздық қатынасы өзгерген фототока ФЭПП - вызвавшему оның абсолютному өзгерту қоршаған ортаның температурасы кезінде берілген жарықтандыру (облученности);
• жарық тұрақсыздық ФЭПП (Light unstability) - өзгерістер жарық кедергі ФЭПП болып өзгеруі салдарынан жарықтану жағдайлары кезінде сақтау;
уақытша дрейфі нөлдік нүктесіне үйлестіруші фотодиодтардың (Zero drift) - ығысу векторы нөлдік нүктесіне үйлестіруші фотодиодтардың тұрақты температурада ішінде берілген уақыт аралығының.
12.2. Электрлік параметрлерін өлшеу
байланысты электр табиғатпен шығыс сигналының жартылай өткізгіш фотоэлектрлік қабылдағыштардың сәулелену өте маңызды болып белгіленсін бірыңғай әдістемесін сипаттау және анықтау электр параметрлерін және сипаттамаларын фотоқабылдағышов. Олардың кейбіреулері кезінде төмен жиіліктерде ретінде қарастырылуы мүмкін қарапайым айнымалы резисторлар. Басқа, әсіресе жоғары жиіліктер түрінде ұсынылуы тиіс күрделі эквивалентті схемасын қамтитын кейде сызықты емес элементтері. Электрлік параметрлері кезінде қабылдағыштың модулированном сәулелену мүмкін айтарлықтай әр түрлі болуы кезінде параметрлердің немодулированном сәулелену. Сондықтан параметрлерін эквивалентті схемасын қабылдау сәйкес болуы тиіс нақты жағдайларға.
Санына негізгі электр параметрлерін ФЭПП жатады темновой ток фотоқабылдағыша, оның темновое кедергісі, дифференциалдық кедергісі және сыйымдылығы.