книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

этот вид шумов называют 1//-шумамн пли шумами, из­ меняющимися по зависимости 1//);

/— длина чувствительного слоя;

а— толщина слоя;

b — ширина слоя.

Большинство приемников обладает токовыми шумами или 1//-шумамп, которые тем больше, чем тоньше чувствительный слои. Это особенно важно для фоторезисторов, очень топкие слои которых изготовляют путем испарения исходного вещества в вакууме.

Р а д и а ц и о н н ы е ( фоновые ) ш у м ы i/ф появляются при изменении температуры приемника в результате теплообме­ на между приемником и окружающей средой (фоном). Теплооб­ мен пли изменение температуры приводит к появлению некото­ рого изменяющегося во времени излучения. Шумы, вызванные флюктуациями температурного излучения, пропорциональны из­ менениям потока

к— постоянная Больцмана;

а— постоянная Стефана — Больцмана;

Т— температура в градусах Кельвина;

Д/— интеграл рабочих частот.

Вразличных типах П1\-прпемников может преобладать тот пли иной вид шума. Так, например, у термоэлементов преобла­ дают тепловые шумы, у полупроводников болометров — тепло­ вые и токовые, у фоторезисторов — радиационные и токовые. При наличии различных компонент шума общее средиеквадратпческое значение величины шумов приемника приближенно мо­ жет быть вычислено по формуле

Для практического использования приемников важно знать не только среднее значение величины шумов, но также и распре­ деление их по частотам. На рис. 4.18 в соответствии с формулой (4.24) показана форма кривой изменения Um фоторезистора в зависимости от частоты /. Можно выделить три области спект­ ра шумов. На низких частотах до j\ преобладающими являются шумы, подчиняющиеся зависимости 1// (область /). Обычно гра­ ница /i лежит в пределах 1000 Гц. В области средних частот II преобладающими являются так называемые генерационно-реком­ бинационные шумы. Эти шумы возникают только в полупровод­ никовых приемниках вследствие изменения количества носителей зарядов (электронов и дырок) при движении и соединении их (рекомбинации) друг с другом. Этот вид шумов часто сливается

120

с токовыми шумами и переходит в тепловые шумы. На больших частотах (более десятков килогерц) преобладают тепловые шумы (область III).

Зная характеристику спектрального распределения шумов, можно выбрать такую частоту модуляции потока излучения или рабочую частоту усилителя, при которой значение собственных шумов приемника будет минимальным.

Если известна облученность приемника Е, то с учетом площа­ ди его чувствительного элемента уП и выражения (1.14) форму­ ла (4.26) примет вид

(4. 27)

ф-= 111 П

]21

Для оценки приемников иногда используют термин «эквива­ лентная мощность шумов», пли «мощность излучения, эквива­ лентная шуму» (п о р о го в ы й поток), обозначаемая через /V

Величина PN определяется как среднеквадратическое значе­ ние потока излучения, промодулированного по синусоидальному закону и вызывающего на выходе приемника напряжение Uc, равное среднеквадратичному значению напряжения шумов 1)ш. Согласно этому определению для полосы частот Д/

Если в формуле (4.27) отношение Uc/Um полученное измери­ тельным устройством с полосой пропускания Д/, отнести к по­

лосе пропускания 1 Гц (т. е. разделить на )' Д/) и предположить, что в пределах этой полосы напряжение (7Шне зависит от часто­ ты, то при и=1 соотношение (4.27) можно записать в виде

1 Гц, то получим одинаковые значения Фп и Рк. Формулы (4.28) и (4.29) позволяют производить сравнительную оценку приемни­

или 90 Гц. За эталонную площадь чувствительного слоя прини­ мается 1 см2.

В таблицах и графиках величину PN записывают так: Ру

(500 К, 900, 1), т. е. PN (Т, /м, Д/).

Для оценки приемников независимо от площади чувствитель­

122

приемники для заданных условий измерений — температуры из­ лучателя, частоты модуляции, полосы пропускания.

Сравнив знаменатель в соотношении для £>* с формулой для порога чувствительности (4.27), можно убедиться, что

Л/= 1 Гц и приведенному к единичной величине приемной пло­ щадки. Зная величины Фш qa и А/, всегда можно вычислить зна­

Будем считать, что реакцией приемника на падающий поток из­ лучения Ф является появление на его нагрузке Rs сигнала Со­ отнеся величину реакции приемника Uc к потоку излучения Ф, получим в общем виде выражение для интегральной чувст­

вительности

(4. 32)

где Su выражается в В/Вт.

Современные приемники имеют S v до 105 В/Вт. Средние зна­ чения Su у сернистосвинцовых фоторезисторов лежат в пределах 3—5 тысяч В/Вт.

О т н о с и т е л ь н а я с п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь ­ н о с т ь Sx. Так как чувствительность селективных приемников излучения зависит от длины волны падающего излучения, то от­ носительная спектральная чувствительность определяется как отношение величины чувствительности при данной длине волны Л к максимальной чувствительности.

приемника, достигает 1——= 0,63 от максимума.

е

Постоянная времени полупроводниковых материалов зависит от концентрации примесей, температуры слоя, величины запре­ щенной зоны и от других свойств материала.

Постоянная времени в различных типах приемников изменя­ ется от 10~8 с до нескольких секунд. В приемниках с внутренним фотоэффектом т, как правило, не более 200 мкс, вследствие чего эти приемники и получили широкое применение в быстродейст­ вующих приборах.

При рассмотрении шумов мы видели, что для уменьшения их уровня (см. рис. 4.18) выгодно применять как можно большие

123

рабочие частоты. Эти частоты определяются частотой модуляции потока. Однако верхний предел этой частоты зависит от постоян­ ной времени и ограничивается величиной

Если постоянная времени очень ьелика, то при большой частоте модуляции (прерывании потока) приемник не будет успевать реа­ гировать на излучение. Это приведет к снижению выходного сигнала, а следовательно, и к уменьшению порога чувствитель­ ности.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характеристика — это свойство приемника, которое может быть описано несколькими значениями каких-либо параметров и

длины волны принимаемого монохроматического излучения назы­ вается спектральной характеристикой. На рис. 4.19 показаны спектральные характеристики современных приемников ИК-нзлу- ченпя. Из графиков видно, что граница чувствительности фото­ резисторов, охлаждаемых до 78 К (жидкий азот), достигает 6— 7 мкм у селенпстосвпнцовых фоторезисторов и 10—15 мкм — у германиевых приемников. Фотодиоды и фототрноды (рис. 4.19, в) работают без охлаждения и граница чувствительности их нахо­ дится в пределах 0,8—2 мкм. Наиболее длинноволновую грани­ цу чувствительности имеют тепловые приемники — термоэлемен­

фоторезнсторов выгоднее обнаруживать более нагретые предме­

чувствительности приемника в зависимости от частоты модуляции лучистого потока. Вид частотной характеристики определяется величиной т приемника. Величина чувствительности, частота модуляции потока /м и постоянная времени т приемника связа­ ны между собой соотношением

где Sf — чувствительность приемника при частоте модуляции /м; S0— чувствительность при длительной засветке (при

7м ~ 0).

124

На рас. 4.20 приведены частотные характеристики боломет­ ров, охлаждаемого и неохлаждаемого сернистосвинцового фоторезистора, германиевого фотодиода и фотоэлектронного умножи­ теля. а также расчетная характеристика сурьмяипстопндиевого

Рис. 4.19. Спектральные характеристики приемников:

приемника. Как видно из графиков, частота модуляции потока при использовании охлаждаемого сернистосвинцового фоторе­ зистора не должна превышать нескольких сотен герц, а неохлаж­ даемого — 1000 Гц. Применение приемника из сурьмянистого

125

индия позволяет увеличить частоту модуляции до нескольких ки­ логерц, а фотоэлектронные умножители обеспечивают работу при частотах модуляции в 100—200 МГц. В 1970—1971 гг. появились приемники, которые обеспечивают прием излучения с частотами модуляции в гигагерцах (1 ГГц = 109 Гц).

Э н е р г е т и ч е с к а я (световая) и в о л ь т о в а я х а р а к ­ т е р и с т и к и . Энергетическая (световая) характеристика выра-

Рис. 4.20. Частотные характеристики приемников:

жает зависимость изменения сигнала на выходе приемника от величины падающего потока. Вольтовые характеристики выра­ жают изменение выходного сигнала приемника, его шумов и по­ рога чувствительности от величины питающего напряжения.

На рис. 4.21 показана зависимость изменения шумов (кри­ вая 2), сигнала с приемника (кривая 1) и отношения спгнал/шум (кривая 3) от питающего напряжения для селенистосвинцового фоторезистора. Из рисунка видно, что существует оптимальная величина питающего напряжения, при которой отношение сигнал/шум имеет максимальную величину. Увеличение пли умень­ шение напряжения от точек А и Б резко снижает соотношение сигнал/шум. Подобные характеристики снимают и для других типов приемников и по ним определяют оптимальное или допу­

126

ис , иш, мкВ Сигнал/ьиум

350

300

250

200

150

100

50

"в

Рис. 4.21. Вольтовые характеристики селеиистосвинцового фоторезистора

Рис. 4.22. Характеристики чувствительности (£>*) при охлаждении приемников до

78 К:

/—сернисто-свинцового фоторезистора; 2—селенисто-свинцового фоторезнстора; 3— фотомагннтоэлектрического приемника из сурьмянистого индия

Рис. 4.23. Зависимость темнового тока фотодиода ФД-3 от температуры слоя

127

гельпого слоя. Известно, что внутреннее сопротивление фоторе­ зисторов изменяется при снижении температуры слоя (см. рис. 4.17). Охлаждение приводит также к увеличению порога чувст­ вительности приемника. Повышение чувствительности при охлаж­ дении можно объяснить уменьшением энергии электронов, про­ тиводействующих протеканию тока сигнала; уменьшение шумов

улучшается более чем в десятки раз, а у фотомагнитного прием­ ника из сурьмянистого индия — почти в 100 раз. Отсюда выте­ кает необходимость применения охлаждения для повышения чув­ ствительности. Повышение же температуры может иногда отри­ цательно сказаться на параметрах приемников. Так, например (см. рис. 4.23), повышение температуры германиевого фотодиода с 30 до 100° С увеличивает темповой ток г'т почти в семь раз.

Взаключение в табл. 4.1 приведены конкретные значения рассмотренных нами параметров для разных приемников лучи­ стой энергии (ПЛЭ).

§4.5. ПРИЕМН ИКИ С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

Ваппаратуре ИК-техникн из приемников с внешним фото­ эффектом широкое применение получили фотоэлектронные умно­ жители — ФЭУ. Фотоэлектронные умножители предназначены для приема ПК-излучений в ближней части ИК-спектра (А, до

1,2 мкм).

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это приемник, пре­ образующий лучистую энергию в фотоэлектронную эмиссию с последующим многократным ее усилением. На рис. 4.24 показа­ на принципиальная схема фотоэлектронного умножителя. Умно­ житель состоит из катода К, анода А и нескольких электродов si, S2 , . . sn. На эти электроды подается последовательно нара­ стающее напряжение. Лучистый поток, падающий на фотокатод К, освобождает первичные электроны, которые под действием ускоряющего поля попадают на первый электрод Sj и «выбива­ ют» из него вторичные электроны. Каждый первичный электрон способен возбудить и выбить несколько вторичных электронов. Так возникает вторичная электронная эмиссия. Отношение числа вторичных электронов У2 к числу первичных Ni называется ко­ эффициентом вторичной эмиссии

Наибольшей вторичной эмиссией обладают материалы, имею­ щие наименьшую работу выхода первичных электронов. К та-

130