литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 18. Приемники излучения

тока излучения источника сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднеквадратичное значение напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратичному значению напряжения (тока) шума в единичной полосе частот,

п1 п. / f .

Удельным пороговым потоком Фп* Вт/(см ·Гц1/2) (удельным порогом чувствительности приемника) называют пороговый поток ПИ в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу,

п п / fA.

Иногда пороговую чувствительность приемника характеризуют пороговой освещенностью или облученностью Еп; Еп1; Е*п.

В качестве полосы пропускания f берут чаще всего эффективную шумовую полосу пропускания измерительного тракта в герцах:

fэфф k 2 ( f )df /kmax2 ,

0

где k(f) — функция, определяющая зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты; kmax — коэффициент усиления на резонансной частоте.

Обнаружительной способностью ПИ называют величину, обратную пороговому потоку (порогу чувствительности приемника) фотоприемника в заданной (единичной) полосе частот:

D = 1/Фп; D1 = 1/Фп1.

Удельная обнаружительная способность (Гц1/2·см/Вт):

Для учета влияния фона на пороговый поток ПИ вводят понятие радиационного порогового потока фотоприемника Фрад.п — пороговый поток ПИ в заданной (единичной) полосе частот, шумы которого обусловлены флуктуациями теплового излучения фона заданной температуры.

Пороговые параметры относят к определенному источнику. Для источника с другим спектральным распределением их надо пересчитывать.

При измерении Фп, ФпΞ, Фп*, Dп, Dп1, D* в монохроматическом потоке из-

лучения к обозначению добавляют индекс : Фп , ФпΞ, Фпл*, Dп , DпΞ, D *. Паспортные значения порогового потока и обнаружительной способности вы-

числяют по измеренным SVинт и Vт.ш. или SI инт и Iт.ш:

где Ф1 — действующее значение потока излучения, Вт (или лм). Удельная обнаружительная способность:

18.1. Параметры и характеристики приемников оптического излучения

Квантовая пороговая чувствительность Фp п [ фотон /(мкм·с)] есть число квантов монохроматического излучения, падающих в единицу времени на ПИ и вызывающих сигнал, равный шуму: Фp n = Фe n /(hс).

Временные параметры ПИ. Собственные постоянные времени ПИ — 2сп и 2н: 2сп — интервал времени после прекращения воздействия излучения, по истечении которого спадающее по экспоненте напряжение фотосигнала уменьшается в «е» раз; 2н — время после начала воздействия излучения, по истечении которого нарастающее по экспоненте напряжение фотосигнала достигает доли (1 ­ 1/е) = 0,63 от своего максимального значения. Собственные постоянные времени определяют быстродействие приемника в ОЭП. Разброс 2сп и 2н для однотипных приемников не превышает 5—10%. У некоторых приемников (например, у фоторезисторов) 2сп ! 2н, так как процесс рекомбинации носителей у них зависит от квадрата их концентрации (или от какого-либо другого закона). У фоторезисторов, в первом приближении, 2 определяется временем жизни носителей: у фотодиодов — временем пролета носителей от места их образования до p-n-перехода. У ФЭ и ФЭУ — временем пролета носителей от фотокатода до анода с учетом их неодновременного прилета на анод, что дает задержку по времени; у тепловых приемников — временем тепловых процессов и т.д.

Параметр max определяет местоположение максимума спектральной чувствительности ПИ, а 9 и 99 — наименьшую и наибольшую длины волн монохроматического излучения, при которых монохроматическая чувствительность ПИ падает до 0,1 ее максимального значения.

Из эксплуатационных параметров следует отметить наиважнейшие — рабочее напряжение ПИ Vр и максимально допустимую рассеивающую мощность ПИ Pmax, обеспечивающие номинальные параметры ПИ при длительной его работе в заданных условиях.

Характеристики ПИ. Спектральные характеристики определяют спектральный диапазон чувствительности приемника.

Абсолютная спектральная характеристика чувствительности фотоприемника Sабс. ( ) характеризует зависимость монохроматической чувствительности ПИ S , измеренной в абсолютных единицах, от длины волны падающего на ПИ потока излучения.

В большинстве случаев спектральные характеристики ПИ имеют вид плавных кривых с одним максимумом при max. Измерить абсолютную спектральную характеристику на практике очень трудно, так как она изменяется не только от серии к серии приемников, но зависит от каждого отдельного приемника внутри серии.

Между тем, относительная спектральная характеристика чувствительности фотоприемника s(л) — зависимость монохроматической его чувствительности, отнесенной к значению максимальной чувствительности, от длины волны регистрируемого излучения практически не меняется от приемника к приемнику одного и того же типа, а зависит от материала чувствительного слоя (ее значения даны в справочниках):

s(л) = Sабс ( ) / Sл мах.

Зная из справочника s(л) и измерив Sл мах в максимуме чувствительности приемника в абсолютных единицах, можно легко построить Sабс( ).

Глава 18. Приемники излучения

Sлмах может быть измерена заранее или определена по формуле связи интегральной и спектральной чувствительностей (в индексе «абс» не пишут, так как относительная чувствительность пишется маленькой буквой — s(л) или большой со звездочкой — S*)

dV = SабсV( ) dФe = SабсV( ) Фe ( ) d = SV max s( ) Фe ( ) d

Для получения сигнала от всего потока необходимо проинтегрировать полученное выражение

V SV max s( ) e ( )d SV max эфф.

0

Эффективный поток излучения Фэфф для данных приемника и источника — это поток, который при чувствительности приемника, постоянной по всему спектру и равной максимальному значению SV max, вызвал бы такой же сигнал, какой вызывает весь падающий реальный поток при реальной спект-

ральной чувствительности (относится к параметрам). Интегральный поток от

источника e ( )d .

0

Следовательно, интегральная вольтовая чувствительность будет:

s( ) e ( )d

Отношение интегралов в полученном выражении показывает, какую долю в сложном потоке, падающем на приемник, составляет эффективный поток (Фэфф) для данного приемника и источника. Отношение интегралов, обозначенное Ω, называют коэффициентом использования потока излучения данным приемником (параметр приемника) или спектральным КПД приемника. Из

выражения для SV при известных SV, s( ) и Фе ( ) определяют SV max = SV /Ω. Спектральный КПД приемника Ω — очень важный параметр, его можно найти

в таблицах или графоаналитически, построив e ( ) = Фе ( ) / Фе max и s( ) (рис. 18.1):

00

Если для приемника известны Sинт, по какому-либо излучателю и s( ), то можно определить и его спектральную абсолютную чувствительность:

Sинт = S max Ω; s( ) = Sабс( ) / S max,

откуда:

Sабс( ) = Sинт /Ω Ї s( ).

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

ности или обнаружительной способности) от частоты модуляции потока излучения f. Частотная характеристика определяет, как и постоянная времени, динамические свойства ПИ и связана с постоянной времени приемника, так как последняя определяет допустимую (граничную) частоту модуляции fгр потока излучения, когда сигнал падает в заданное число раз за счет инерционности ПИ. Вид частотной характеристики зависит от формы модуляции. Общее условие выбора граничной частоты модуляции для ОЭП — потеря чувствительности за счет инерционности ПИ 50%. Связь с частотой, в зависимости от постоянной времени приемника, определяется формулой fгр ф Ј 0,3 (для приемников на внутреннем фотоэффекте) [1]. Однако на практике существует «разнобой» требований на допустимое падение чувствительности из-за модуляции. Так, встречаются требования:

S( fгр) 016,S(0) при fгр 1 / 2, S( fгр) 0,71S(0) при fгр 1 / (2<2).

Зависимость сдвига фазы гармонической составляющей выходного тока (напряжения) относительно соответствующей ей гармонической составляющей потока излучения от частоты его модуляции называют фазовой характеристикой (для приемников на внутреннем фотоэффекте tgц = -щф, где ц — отставание

фазы сигнала приемника относительно фазы потока излучения, щ = 2р fмодуляц — круговая частота модуляции потока излучения) [1].

18.2.Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

Принцип действия приемников

Внутренним фотоэффектом называют процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов излучения передается электронам вещества, изменяющим в нем свое энергетическое состояние.

Глава 18. Приемники излучения

Спектральная чувствительность ФР зависит от материала чувствительного слоя и охлаждения. Она изменяется от 0,3 до 40 мкм (рис. 18.4). Абсолютная спектральная чувствительность неохлаждаемых ФР при понижении температуры повышается, так как уменьшается тепловая генерация носителей тока. Световая характеристика фототока ФР — Iф (Ф) и зависимость сопротивления от потока излучения R(Фе), как правило, нелинейны. Характер их изменения зависит в сильной степени от примесей.

Рис. 18.4. Относительные спектральные характеристики чувствительности некоторых фоторезисторов: 1 — напыленный CdS (295K); 2 — ФСК-М1 (CdS при 295К); 3 — ФСД (CdSе при 295К); 4 — монокристалл p-типа из Ge: Au при 77К; 5 — ФСА (PbSe при 295К); 6 — PbSe (295К); 7 — монокристалл n-типа из InAs при 295К; 8 — монокристалл из InSb при 295К; 9 — Ge:Hg (30K); 10 — Ge:Zn: Sb (53К); 11 — Ge:Cd(4,2К); 12 — Ge:Cu (4,2K); 13 — Ge:Zn(4,2К)

Вольт-амперные характеристики ФР — I(V) при Ф = const линейны в широких пределах (см. рис. 18.3, а). Нелинейность вольт-амперной характеристики наблюдается в ФР на основе CdS и CdSe при нагреве чувствительного слоя при больших облученностях.

Фоторезистору присущи токовый, генерационно-рекомбинационный, тепловой и радиационный шумы.

Эксплуатационные параметры и относительное изменение сопротивления

ФР. Каждому типу фоторезистора соответствуют максимально допустимая электрическая мощность рассеивания Рmax и максимальное напряжение питания Vmax. Напряжение питания цепи ФР — нагрузка для заданного в паспорте

Vmax не должна превышать: V V max (Rн/Rф + 1).

Кроме общепринятых параметров чувствительность фоторезисторов иногда характеризуют относительным изменением его сопротивления SR, не зависящим от схемы включения: SR = Rф/(Rф Ф) (18.2), где Rф — сопротивление фоторезистора при потоке Ф; Rф — изменение сопротивления фоторезистора при приращении потока на Ф; SR — в 1/Вт.

На рис. 18.3, в приведена кривая изменения сопротивления Rф фоторезистора от потока излучения, которую можно аппроксимировать на участке 1, выра-

Глава 18. Приемники излучения

Рис. 18.6. Схема генерирования и разделения пар носителей заряда при освещении p-n-перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную загрузки: фотодиодный (б, г), фотогальванический (в, д)

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении прямой ток увеличивается до тех пор, пока токи основных и неосновных носителей выравниваются.

При подключении к контактам ФД нагрузки (рис. 18.6, а) и отсутствии освещения через p-n-переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей IS, называемых темновым током. Освещение вызывает дополнительный фототок неосновных носителей Iф = SIФ. Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме:

где VR = IRн — падение напряжения на нагрузке от протекающего в цепи тока; е = 1,6 10-19 [А с] — заряд электрона; k = 1,38 10-23 [Дж К-1] — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характеристики в фотогальваническом режиме.Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосредственно преобразует энергию излучения в электрическую энергию (при освещенности 8000 лк фото-ЭДС составляет около 0,1 В).

Диодный режим работы ФД.

В фотодиодном режиме к ФД прикладывают обратное напряжение (рис. 18.6, б), и при отсутствии освещения через p-n-переход и сопротивление нагрузки потечет обратный дырочный ток термически генерированных неосновных носителей Is, называемый темновым током. При освещении n-области через p-n-переход и сопротивление нагрузки будет протекать дополнительный

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

дырочный фототок неосновных носителей Iф. Суммарный ток в цепи складывается из темнового тока и фототока неосновных носителей.

Ток основных носителей в диодном режиме будет пренебрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение источника питания, складываясь с напряжением поля диффузии p-n-перехода, препятствует току основных носителей.

Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид:

где V — напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим схемы включения, вольтамперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

Схема включения фотодиода в диодном режиме приведена на рис. 18.6, б, а экспериментально полученные вольт-амперные характеристики — на рис. 18.7, а, б. Теоретически вольт-амперные характеристики рассчитывают по формулам (18.2) и (18.3).

При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых , так как tg = 1/Rн = I/Vн. При этом падения напряжений на нагрузке и ФД будут: Vн = IRн; Vфд = Vп — IRн. Ток во внешней цепи при приложении напряжения питания Vп в запирающем направлении: I = Is + Iф.

Фототок через токовую чувствительность SI и падающий поток излучения: Iф = SIФ. Из приведенных выражений IRн = Vн = SIФRн + ISRн.

Продифференцировав это выражение, получим интегральную вольтовую чувствительность ФД: SV dVH / d SI RH .

Следовательно, для повышения вольтовой чувствительности необходимо увеличивать сопротивление нагрузки Rн. Значение Rнmax связано с максимальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следующим соотношением:

При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной характеристикой, соответствующей максимальному потоку излучения Фmax, должна лежать в области диодного режима. С учетом выражения (18.4) и Sv = SI Rн

При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоновой засветки целесообразно, чтобы вольтовая чувствительность по постоянному току (от фона) была минимальна, а по переменному току (от объекта) — максимальна. Для этого используют трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктивное сопротивление) и малое по постоянному (активное сопротивление) (рис. 18.6, г). Вольт-амперные характеристики данного случая приведены на рис. 18.7, г.

По постоянному току сопротивление нагрузки должно быть малым, в идеале — режим короткого замыкания (Rн~ ; 0; tg = ; ; = ; 90°). По пере-