книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

дает на выходе приемника средний квадрат флуктуаций напряжения

где і? — сопротивление приемника. Как и в случае тем­ пературного шума, /іѵ//сГ<^1 и в обычных равновесных условиях

W l~ m=AkTRäf.

Для напряжения на нагрузке приемника имеем

AUI 4k T R l Д /.

Д

Генерационно-рекомбинационный шум обусловлен ста­ тистическими флуктуациями скоростей генерации и ре­ комбинации носителей тока. Генерационно-рекомбина­ ционный шум свойствен как равновесным носителям, так и фотоносителям, т. е. носителям тока, возникаю­ щим под действием излучения. Как для одних, так и для других носителей спектр генерационно-рекомбинацион­ ного шума белый до некоторых частот, связанных с ха­ рактерными временами жизни носителей тока /пред~ ^1/(2 ктг_р). Шумовое напряжение на выходе приемника с учетом

от одного электрода к другому. Эта составляющая шума зависит от напряжения U и именно с ней связано огра­ ничение увеличения чувствительности при увеличении питающего напряжения. На нагрузке приемника имеем.

40

На практике шум фотосопротивления превышает рас­ четные значения тепловых и генерационно-рекомбина­ ционных шумов, не говоря уже о фотонном шуме. Этот избыточный шум носит название «1//-шум», которое от­ ражает характерную для этого вида шума частотную за­ висимость. Окончательно природа этого шума не выяс­ нена. Можно предполагать, что в какой-то мере шум связан с явлениями в приповерхностных областях, с на­ личием барьеров, через которые течет ток. Шумовое напряжение на выходе приемника

&Uyf-Ш— —р г — 7

где а ~ 1, ß —•2, X — некоторая постоянная, / — ток через приемник, / — рабочая частота, U — напряжение

Ід(м£)

Рис. 8 . Частотпые характеристики шумов фотосопротивленпй.

питания приемника, R — сопротивление приемника. Как обычно, на нагрузке приемника имеем

XUVRl

ДІ7® /адЗ+2 •

Частотные характеристики шумов и их приблизительное соотношение для фотосопротивлений схематически изо­ бражены на рис. 8, где приведены зависимости логарифма шумового напряжения на выходе от логарифма частоты.

Значения детектирующей способности для фотосопро­ тивлений приведены в табл. 7.

Фотоэлементы с запирающим слоем. Полупроводни­ ковые приборы, в которых под действием излучения воз­ никает электродвижущая сила, называются вентильными

41

фотоэлементами, или фотоэлементами с запирающим слоем. При освещении такого фотоэлемента в цепи тенет ток без подачи внешнего напряжения. Величина тока зависит от падающей на приемник световой мощности, которая преобразуется элементом непосредственно в элек­ трическую. В вентильных фотоэлементах создаются ус­ ловия, приводящие к пространственному разделению возбужденных светом носителей тока разного знака и к перемещению их к разным электродам с образованием разности потенциалов между ними [41]. Укажем кратко характеристики приемников этого типа.

Спектральные характеристики. Вентильные фото­ элементы, как и все другие фотоэлектрические приемники, обладают значительной селективностью. Кроме того, об­ ласть длин волн, которую можно охватить с помощью приемников этого типа, значительно меньше со стороны длинных волн, чем у фотосопротивлений. Дело в том, что вентильные фотоэлементы работают в основном в об­ ласти собственного поглощения полупроводника. Об­ ласть примесного поглощения, в отличие от фотосопро­ тивлений, играет меньшую роль. В табл. 8 приведены спектральные и временные характеристики, чувстви­ тельность S фотоэлементов с запирающим слоем, опре­ деляемая отношением тока короткого замыкания / кз к ве­ личине светового потока Ф, и детектирующая способ­ ность D* [7, 10].

Световые характеристики фотоэлементов с запираю­ щим слоем линейны только в режиме короткого замыкания

Ряс. 9. Зависимости выходных сигиалов вентильного фотоэле­ мента от плотности мощности излучения: а) напряжение холостого хода; б) ток в цепи.

и в области не слишком больших световых потоков [7]. Схематическое изображение некоторых типичных зави-

42

Т а б л и ц а 8

симостей тока в цепи с вентильным фотоэлементом от плот­ ности мощности излучения PIF (освещенности), падаю­ щего на приемную площадку, для различных сопротивле­ ний нагрузки приведено на рис. 9, б. На рис. 9, а при­ ведена типичная зависимость напряжения холостого хода § от плотности мощности излучения (освещенности) прием­ ной площадки для элементов такого типа.

Временные характеристики. Рабочий запирающий слой вентильных фотоэлементов при малой его толщине и большой площади представляет собой конденсатор относительно большой емкости [7). Это приводит к до­ вольно значительной постоянной времени таких прибо­ ров (—ІО-3—ІО-6 сек). В связи с этим частотная область работы приемников простирается до нескольких мегагерц.

Шумовые характеристики. Шум, присущий вентиль­ ным фотоэлементам, включает те же самые компоненты, что и шум фотосопротивлений 115): фотонный шум, температурный шум, джонсоновский шум, генерационно­

43

рекомбинационный шум свободных носителей и фото­ носителей и «1//-шум». Следует отметить, что вклад раз­ личных составляющих в рассматриваемом случае не­ сколько иной. Преобладающую роль играет джонсонов­ ский шум; генерационно-рекомбинационный шум обоих видов меньше, чем в случае фотосопротивлений, так как энергия перехода зона—зона, играющего основную роль в процессах рекомбинации для вентильных фотоэлемен­ тов, значительно превосходит энергию переходов, свя­

принцип работы диода [7]. Рабочие характеристики прибора представлены па рис. 10, где Р^Р^ характеризуют величину светового потока, или мощность излучения,

При освещении п—р-перехода величина обратного тока увеличивается, так как увеличивается число носителей тока (кривые Рг и Р2). Следует заметить, что на этих характеристиках область Нобр= 0 соответствует области работы фотоэлемента с запирающим слоем.

В настоящее время наибольшее распространение по­ лучили два типа фотодиодов: кремниевые и германиевые. Рассмотрим кратко характеристики фотодиодов.

Спектральные характеристики. Область чувствитель­ ности этих приемников, как и вентильных фотоэлементов, обусловлена главным образом собственным поглощением материала. Примесное поглощение играет значительно меньшую роль. Спектральные характеристики фотодиодов приведены в табл. 9, там же указана постоянная времени этих приборов [40].

44

»

Т а б л и ц а 9

Световые характеристики для приемников этого типа линейны в широком интервале значений световых мощ­ ностей Р [7]. Имеет место несильная зависимость фото­ тока /ф от величины обратного напряжения UoSr С уве­ личением обратного напряжения Uo6v чувствительность приемников несколько возрастает.

Временные характеристики фотодиодов ограничи­ ваются наличием емкости п—р-перехода. Обычные прием­ ники такого типа имеют постоянную времени т — ІО-5— ІО-0 сев, для специально разработанных малоинерцион­ ных приемников она снижается до т ~ Ю~8 сек и даже

Рис. 11. Схема измерения характеристик излучения ОКГ непре­ рывного действия фотоэлектрическим приемником.

Входной сигнал Р попадает на ослабитель излучения 1, далее следует интегратор 2. Световой сигнал преобра­ зуется в электрический фотоприемником 3. Электриче­ ский сигнал регистрируется соответствующей систе­ мой 4 [1,2].

45

Поскольку динамический диапазон фотоэлектрических приемников невелик, регистрирующая система должна содержать градуированный ослабитель излучения. Это могут быть отражающие прозрачные пластинки, погло­ щающие фильтры, поляризационные ослабители, рассеи­ вающие ослабители и т. д.

Элементы типа интеграторов излучения включаются в измерительные системы для устранения неоднородностей зонной характеристики приемников по отношению к па­ дающему излучению и его поляризации. Элементы могут представлять собой фотометрический шар, диффузно рас­ сеивающую пластинку, молочные стекла и т. п. На вы­ ходе элементов должен получиться однородный поток деполяризованного излучения.

При использовании приемников, дающих ЭДС, для регистрации мощности Р излучения ОКГ, работающих в непрерывном режиме, используются гальванометры типа зеркальных с малым внутренним сопротивлением (см. табл. 1). В случае использования систем, которые работают по принципу изменения тока, что приводит к изменению напряжения на сопротивлении нагрузки, применяются разного рода приборы с большим входным сопротивлением, например катодные вольтметры.

С целью повышения чувствительности регистрирующей системы обычно используются усилители, при этом необ­ ходимо согласование выходного сопротивления прием­ ника и входного сопротивления схемы. В измерительной практике находят применение усилители постоянного тока и переменного тока, причем последние, как правило, содержат резонансный фильтр. Первый тип усилителей обладает более высокой чувствительностью для случая регистрации непрерывных сигналов, так как отсутствуют потери света при модуляции, но им присущи и значитель­ ные недостатки — дрейф нулевого отсчета и нестабиль­ ности, связанные с темновым током приемника. Для усилителей переменного тока требуется модуляция не­ прерывных сигналов, т. е. имеются некоторые потери сигнала, но отсутствует дрейф нулевого отсчета. Усилители такого типа явно предпочтительнее для регистрации сиг­ налов в режиме повторяющихся импульсов.

Во всех случаях использования усилительных схем для надежных измерений требуется хорошая стабилизация питания схемы, питания приемника и т. и. Лучшими в этом отношении являются двухлучевые схемы, исполь­

46

зующие усилители переменного тока, в которых регистри­ руется отношение двух сигналов: исследуемого и сигнала сравнения, или эталонного сигнала. Все нестабильности схемы и приемника одинаково действуют на оба сигнала и отношение их при этом практически не изменяется.

б)

Рис. 12. Блок-схема: а) работающая по принципу электрического деления; б) управляющая чувствительностью приемника.

Приведем некоторые варианты таких схем [42]. В двух первых схемах осуществляется электрическое деление, в третьей — оптическое. На рис. 12, а представлена блок-схема, работающая по принципу измерения отно­ шения двух сигналов с помощью электронного потен­ циометра, на рис. 12, б представлена блок-схема, осу­ ществляющая управление чувствительностью прием-

47

ника [43]. Эти схемы работают следующим образом. На приемник излучения 1 направляются световые сиг­ налы: измеряемый и эталонный (сигналсравнений). Эти сигналы модулируются разными частотами либо подаются на приемник в противофазе [44] с помощью модулятора 2. В одном случае после усилителя 3 разде­ ление сигналов происходит по частоте с помощью резо­ нансных фильтров и синхронных детекторов 4, 5. В дру­ гом случае после усиления резонансным усилителем разделение сигналов происходит по фазе с помощью синх­ ронных детекторов. В первом случае усилитель должен обеспечить пропускание обеих частот модуляции. Упра­ вление работой синхронных детекторов осуществляется

в первой схеме (рис. 12, а) на электронном потенциометре 10 регистрируется отношение исследуемого сигнала к сигналу сравнения путем нх деления на реохорде по­ тенциометра. Во второй схеме (рис. 12, б) электрический сигнал сравнения используется для управления чувст­ вительностью приемника 11, а исследуемый сигнал ре­ гистрируется на электронном потенциометре 10.

Первая схема обладает следующими характеристиками: при изменении чувствительности в ~2 раза отношение сигналов изменяется на 0,2—0,3%, при изменении чувствительности в ~4 раза — на 0,5—0,7 %. При из­ менении чувствительности в •—-100 раз во второй схеме постоянство сигнала выдерживается с точностью —3+7 %. Рассмотренные схемы могут быть скомбинированы.

Схема, в которой осуществляется оптическое деление сигналов, представлена на рис. 13 [45, 46].

Измеряемый и эталонный сигналы направляются на приемник излучения 1 с противоположными фазами с по­ мощью модулятора 2. Селективный усилитель 3 выде­ ляет и усиливает разность этих сигналов. После детекти­ рования синхронным детектором 4 этот сигнал усили­ вается усилителем мощности 5 и управляет работой реверсивного электромотора б.7 Оптический клин 7, свя­ занный с мотором, перемещается так, чтобы выровнять интенсивности света измеряемого и сравнения путем ослабления интенсивности света сравнения. С оптическим клином и реверсивным мотором связано перо записываю­ щего устройства 8. Таким образом, схема работает по

48