Источники и приёмники Излучения, страница 18

Под монохроматичсской чуасгпвительнастью понимают чувствительность ПИ к монохроматическому излучению Фх. 5« = 81/ЛФх, А/Вт, А/лм; 5„=- Л)//ЛФх, В/Вт, В/лм. Импульсной чувствительностью ПИ называют отношение амплитуднога значения фототока (напряжений),фотосигнала, вызванного падающим на ПИ импульсным излучением, к амплитудному значению патока излучения при заданной его форме. Пороговые н шумовые параметры приемников излучении. Помимо полезного регулярного сигнала в выходной цепи ПИ наблюдается хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой— ш у м ПИ.

На фоне шума становятся неразличимыми малые полезные сигналы, т. е. шум ограничивает возможности ПИ. Причины возникновения тока шума (напряжения шума) ПИ могут быть внешними и внутренними — это воздействие тепла, тока ПИ, фотонный характер излучения и т. д. Так как шумы (флуктуации) являются процессами случайными, их описывают такими характеристика»«и, как математическое ожидание (средний уровень шума), среднее квадратическое значение или дисперсия. Распределение шума по спектру определяется спектральной плотностью шума— дисперсией, приходящейся на единицу полосы частот.

79 Т о к о м ш у м а ПИ 1, называют среднее квадратическое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ в указанной полосе частот. Н а п р я ж е н и е м ш у м а У вЂ” среднее квадратическое значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ПИ в указанной полосе частот. В ПИ имеются следующие в и д ы ш у м о в. Радиационный (42отонный) 2иум возникает из-за флуктуации потока квантов, падающих на фотоприемную площадку, от фона н флуктуаций потока квантов, излучаемых самим ПИ в пространство, так как его температура отлична от абсолютного нуля.

Дисперсия флуктуаций потока излучения фона с температурой Тф и коэффициентом теплового излучения ет ф, поступающего на фотоприемную площадку с площадью А в полосе частот Л1, имеет вид ЛФа = 8итзтзпйТооА Л1, где ит = етп — коэффициент поглощения фотоприемной пло- щадки; й — постоянная Больцмана, й = 1,38 1О ш Дж К ', ив постоянная Стефана — Больцмана, о=5,67 10' Вт!м 2 К и. Дисперсия флуктуаций потока излучения, излучаемого ПИ, ЛФп. в = Ззтп йТп. ноА Л!. Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума, ЛФР, ш ЛФФ + ЛФ„п = 8йоАит Л! (етфТф + Т',,). Дисперсия напряжения радиационного шума с учетом инте- гральной чувствительности ПИ к излучению фона 5„п, е и к излу- чению самого ПИ 5 2 2 2 2 2 1'р ш = 5внт, ф ЛФФ+ 5внт. и, пЛФп, в.

Радиационный шум имеет равномерный спектр (белый шум). Тепловой шум называется хаотическим тепловым движением свободных электронов в самом ПИ и имеет равномерный спектр. Дисперсию напряжения теплового шума в полосе Л! определяют по формуле Найквиста У,, ш — — 4йТЙ Л1; 11ш, = 4!2ТК 1 Л1, где Т н К вЂ” температура и сопротивление ПИ (для фотодиода берут сопротивление базы !!0). Дробовый шум определяется тем, что электрический ток пред- ставляет собой поток частиц, флуктунрующих во времени, и имеет равномерный спектр, Дисперсию тока дробового шума в полосе Л! определяют по формуле Шоттки 1 1др. ш = 20!О Л!, где е — заряд электрона, е = 1,6 10 "А с; 1, — среднее значение тока в ПИ. Протекая по нагрузочному сопротивлению !1и, ток дробового шума создает напряжение шума 2 2 )тдР.

2е10)т Лт. Дисперсию тока дробового шума в полосе Л! для ФЭУ вычис- ляют по формуле !др —— -2е1,М~(1+ В) Л!, где 1п — суммарный ток с фотокатода, А; М вЂ” коэффициент усиления ФЭУ; (1 + В) — коэффициент, учитывающий дробовый шум эмиттеров [для ФЭУ с электростатической фокусировкой (1 + В) = 2,51. Дисперсия тока дробового шума в полосе Л! у лавннных фото- диодов на основе собственных полупроводников -2 З 1др ш — — 2010М Л1, где М вЂ” коэффициент умножения тока лавинного фотодиода.

Для примесных лавинных р' — п-днодов (весь ток переносят дырки) 1,0, — — 2е!0М Л!~1+ ( ) (:) ~. Для примесных лавинных и' — р-диодов (весь ток переносят электроны) !2„,, =201,МзЛ!~1 — (1 — К)(™ 1)'~, где К = р1и; и и р — коэффициенты ионизации электронов и дырок соответственно. Для германия К 1, для кремния К к 1, для ОаАз и ОаР К = 1.

Генерационно-рекомбиназ!ионный шум наблюдается у полупроводниковых ПИ и вызывается случайным характером генерации носителей тока, а также случайным характером рекомбинации Этих носителей, т. е. флуктуацней числа и времени их жизни. Такой шум зависит от концентрации и времени жизни носителей н повышается при увеличении напряжения питания 1',и,. Дисперсия напряжения генерацнонно-рекомбинационного шума для фоторезисторов на основе собственной проводимости в полосе Л! имеет вид (571 2 2 "Р' ш ппт Ят+Ян)2 пзт !+(2к!тн)2 где ттт и ттп — темповое сопротивление фоторезистора и сопротивление нагрузки, Ом; тп — время жизни носителей, с; п — концентрация носителей, 1!см', У вЂ” объем фотослоя, см', ! — частота Модуляции потока излучения, Гц. Шум мерцания (фликкер-эффект) возникает у фотоэлементов нз-за непостоянства чувствительности фотокатода во времени, он проявляется на низких частотах (/ ч" 100 Гц) и может превышатЬ дробовый шум на порядок 11 2е/р (1 + — ) где  — постоянная, зависящая от фотокатода; А — площадь фотокатода; / — частота модуляции потока излучения.

Токовый шум (избыточный, 1//„-шум) обьедиияет несколько видов шума, которые отдельно рассчитать трудно. Он зависит от состояния поверхности и технологии изготовления фоточувствительного слоя, от качества контактов и токов утечки. Дисперсию напряжения токового шума на сопротивлении нагрузки /т, определяют по формуле У',. ш = В й'/о(А///и) где  — коэфпдициент, зависящий от типа ПИ (для сернисто- свинцовых фоторезисторов В' = 10 "' —;10 "); й — сопротивление приемника, Ом; 1, — среднее значение тока в цепи ПИ, А. На низких частотах (меньших 100 Гц) токовый шум у приемников может превышать другие виды шумов на порядок и более, с увеличением частоты свыше 1000 Гц он резко падает.

При расчете обдчего идума ПИ считают, что шумы некоррелированы, поэтому дисперсия суммарного напряжения шумов будет равна 2 2 2 2 2 1 аах = Ур, ш + Уа. аа + Удр, ш + Уг.р. ш + Так как с минимальными пороговыми потоками ПИ работают при отсутствии посторонних засветок, то обычно измеряют темновой ток и темновое напряжение, которые определяют уровень минимальных, регистрируемых данным ПИ сигналов. Измерения проводят в условиях полного затемнения на аппаратуре, аналогичной той, которую применяют для измерения 5„„,. По результатам измерения вычисляют среднее арифметическое 1,,р и У,,р из и измерений, определяют максимальное отклонение темпового тока 1, „(У,,„) от среднего значения и определяют нестабильность темпового тока 61, (6 1',) по аналогии с обработкой результатов при измерении 5,„,.

Требования к измерительной аппаратуре те же. При измерениях 1, и У, ы сначала измеряют уровень собственных шумов установки Урад (1,), не подавая на ПИ напряжение питания. Затем подают питание Ур и измеряют суммарный шум У,(1222). Если шумы ПИ близки к шумам уста- 2 2 новкиУ, <ЗУыд, то Расчет ведУтпофоРмУле У = У 2 — У ь Если У„а ) ЗУрдд, то его значение и пРинимаетсЯ за напРЯжение шума фотоприемника.

Ток шума 1~ .=- Урд//д . П о р о г о в ы м п о т о к о м Ф„ ПИ в заданной полосе называют среднее квадратическое значение действующего на ПИ синусоидально модулированного потока излучения источника 82 , лгнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе частот (ГОСТ 21934 — 83а): Ф„= ~/ У' /'5д или Ф„= )/1' /5ы Для фотоэмиссионных ПИ типа ФЭУ или фотоэлементов (ФЭ) Фч ГОСТ 20526 — 82 называет световой поток или поток излучения, который, падая на фотокатод, создает на выходе ФЭУ или ФЭ сигнал, равный среднему квадратическому значению напряжения шумов темпового анодного тока, измеренного в определенной полосе частот (эквивалентом шума темпового анодного тока ФЭУ пли ФЭ).

Оба эти названия применяются в литературе при рассмотрении параметров различных ПИ. Для сравнения пороговых потоков ПИ, снятых аппаратурой . различной полосой пропускания и имеющих разные по размерам ~риемные площадки, вводят понятие порогового потока в единичной полосе и удельного порогового потока. Пороговым потоком ПИ в единичной полосе частот Ф„, называют среднее квадратическое значение действующего на ПИ синусоидально модулированного потока излучения источника сигнала с заданным спектральным распределением, при котором сРеднее квадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала оавно среднему квадратическому значению напряжения (тока) пума в единичной полосе частот (Вт/Гцы') Ф = Ф / Л~.

Удельным пороговым потоком Ф;, называют пороговый поток ПИ в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по плоцади фоточувствительному элементу (Вт/(см Гцн')1: Ф„= Ф„/)г ~ц~А. Иногда пороговую чувствительность ПИ характеризуют поро.явой освещенностью или облученностью Е~, Е„п Е"„. В качестве полосы и р о пускания Л/ берут чаще всего Л/,аа — эффективную шумовую полосу пропускания измерительного тракта (Гц): г да(1) в/ й/ааф = ) в дада де К (/) — функция, определяющая зависимость коэффициента .силения по напряжению от частоты; К,„— коэффициент усиле~ия на резонансной частоте.