7. Приемники оптического излучения

7.1. Принцип действия фотоприемников

Фотоприёмником (ФП) называется оптоэлектронный прибор, чувствительный к оптическому излучению и предназначенный для его преобразования в электрический сигнал.

В оптоэлектронике, в основном, используются ППФП работающие на основе внутреннего фотоэффекта (в отличие от приборов на основе внешнего фотоэффекта- фотоэлементов).

ФП, в которых возможно осуществление ряда преобразований оптического принятого сигнала, называются фотоприёмными устройствами (ФПрУ).

В ФПрУ осуществляется:

• селекция и усиление с помощью объектива входного оптического излучения;

• детектирование оптического сигнала (преобразование в электрический сигнал);

• предварительное усиление и простейшая обработка электрического сигнала (фильтрация, запоминание и др.);

• оптимальное электрическое согласование с последующими электрическими каскадами.

При необходимости в ФПрУ могут включаться элементы для охлаждения, термостабилизации, стабилизации рабочей точки и коммутации для многоэлементных ФПрУ.

Принцип действия ФП так же, как ПП источников оптического излучения, основан на квантовых переходах частиц в энергетических уровнях. Для перехода электрона из связанного состояния (валентной зоны) в свободное (зону проводимости) в чистом ПП необходимо сообщить энергию фотона

, или , (7.1)

где ширина запрещённой зоны Е_з зависит от типа ПП и температуры, т.е. это переход с поглощением энергии. Если hf<Е₃ излучение проходит ПП без потерь (рис.7.1,а).

Рис.7.1. Энергетические уровни в собственном ПП (а), примесном п- типа (б) и примесном р- типа (в).

При введении в ПП примесей в запрещённой зоне возникают дополнительные разрешённые уровни (Е_d (донор) в n- типе – рис.7.1б и Е_а (акцептор)- в р- типе- рис.5.1б,в). В случае примесных ПП в выражения (7.1) вместо Е₃ нужно подставить Е_d или Е_а. Недостатком примесных ПП является то, что при комнатной температуре атомы уже ионизированы и существует проводимость. Это приводит к увеличению темновых токов и поэтому такие ФП нужно охлаждать.

В любом из этих случаев под действием светового потока в ПП возникают свободные носители или изменяется их концентрация. Это явление и называется внутренним фотоэффектом. Проводимость пропорциональна концентрации носителей и увеличивается под действием светового потока, но энергетическое распределение носителей и их кинетическая энергия при этом не меняются. В чистом виде это явление используется в однородных ПП - фоторезисторах (ФР).

Время жизни фотоносителей определяется процессами рекомбинации (10^-2 – 10^-7 с) и определяется объёмной и поверхностной зонными структурами ПП.

7.2. Классификация, параметры и характеристики фотоприёмников

Существует несколько видов классификации:

1. По числу входных каналов (одноэлементные и многоэлементные).

Многоэлементные в свою очередь классифицируются:

• по принципу преобразования сигнала (мгновенного действия и с накоплением сигнала);

• по характеру расположения элементов (координатные, линейные, матричные);

• по принципу коммутации электрического сигнала (с внешней и внутренней коммутацией);

• по способу выборки информации (с параллельной, последовательной, словарной, регистровой, произвольной выборкой);

2. По числу рабочих диапазонов (одно и многодиапазонные);

3. По технологическим особенностям исполнения (дискретные, гибридные, интегральные);

4. По температурному режиму (охлаждаемые и неохлаждаемые).

В ППФП используются фоторезистивный эффект в однородных ПП, применяемый в фоторезисторах, и фотогальванический в неоднородных ПП, применяемый в фотодиодах и фототранзисторах.

Параметры ФП подразделяются на фотоэлектрические, геометрические, конструктивные и эксплуатационные, но большинство параметров те же, что и у всех ПП приборов. Специфическими являются фотоэлектрические: чувствительность (фоточувствительность) – S, характеризующая реакцию ФП на воздействие потока излучения P_. Различают вольтовую S_u и токовую S_i чувствительности

; ,

где U_ф, I_ф- напряжение и ток нагрузки ФП. Иногда используют удельную чувствительность на 1В питающего напряжения; интегральную чувствительность (во всём спектре сигнала) S_инт и спектральную (монохроматическую) S_(), которая может быть абсолютной и относительной;

- квантовый выход (критерий чувствительности) определяется как отношение числа генерируемых электронно-дырочных пар N_э-д к числу фотонов N_ф, которое можно выразить через

, (7.2)

где q- заряд частицы; h- постоянная Планка.

Из (7.2) можно получить S_I

. (7.3)

- коэффициент поглощения материала ФП К_пог(); он является одним из основных факторов, определяющих S_I и ;

-постоянная времени ФП  - интервал времени после прекращения облучения, по истечении которого напряжение сигнала уменьшится в е- раз. Определяется межэлектродными расстояниями и временем пролёта генерируемых фотоносителей, RC- цепи нагрузки и т.д. Параметр  определяет верхнюю граничную частоту, для которой чувствительность снижается до 0,707 от немодулированного сигнала т.е. .

- Пороговый поток (пороговая чувствительность). Ф_пор показывает возможность регистрации малых оптических сигналов на фоне шумов. Обычно учитываются четыре источника шумов Ф_ш:

1. Тепловые шумы - Ф_т~fTR_н (Т- абсолютная температура; R_н - сопротивление нагрузки ФП);

2. Дробовые шумы - Ф_др~IR_нf (возникают за счёт дискретности потока частиц);

3. Избыточные шумы - (возникают из-за неоднородности ПП);

4. Радиационные шумы (флуктуационные, фоновые). Их рассматривают, как вероятностный процесс и оценивают дисперсией , поэтому.

Если в радиоприёмных устройствах полоса частот РПрУ совпадает с полосой сигнала (в обычно применяемом супергетеродинном РПрУ она обеспечивается УПЧ), то пользуются интегральным пороговым потоком в полосе частот. В ФПрУ обычно применяется схема детекторного приёмника, полоса которого намного шире полосы частот сигнала, поэтому, кроме интегральной величины во всей полосе (Ф_пор[Вт]), пользуются спектральным пороговым потоком, имеющим размерность, определяемую преобладающими шумами. Например, если преобладают тепловые шумы и невозможна фоновая засветка (в ВОЛС), то спектральная пороговая чувствительность Ф_пор имеет размерность [Вт/Гц], а если преобладают фоновые шумы в системах автоматики, то .

Иногда пользуются обратной величиной - обнаружительной способностью ФП- D=1/Ф_пор, которая тоже может быть интегральной, спектральной и удельной.

Понятие порогового потока используется при определении энергетического потенциала канала связи, который тоже может быть спектральным и интегральным (см. 2.4).