Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002) (1095905), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Особый интерес представляют такие фоны, как земная поверхность, небо, космос, звезды и планеты.Описание фонов представляет значительные трудности, особенно фондневной Земли (рис. 2.2).1,22Из рис. 2.2 видно, что мак1,03симум уровня фона Земли0,8приходится на λ ≈ 8 − 9 мкм.10,64Особый случай представляет0,4снег 1 , от которого идет зеркальное отражение Солнца.0,25Спектральная лучистость АЧТ:0о2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 35 С – 2; почвы – 3; белогоДлина волны, мкм песка – 4; травы – 5. Виден явный минимум фона в районе ≈ 3Рис. 2.2мкм.
Этот минимум еще меньше в ночное время.Вообще для всех ситуаций с помощью ИК-спектрометров, установленных на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), постоянно разрабатываются и уточняются модели фонов во всех спектральных интервалах. Точные данные о моделях фонов по естественным причинам строго засекречены.16Из рис. 2.2 явно виден минимум излучения фона дневной Земли врайоне 3,0 мкм.
Именно это обстоятельство, как будет показано в следующих разделах, и определило тот факт, что вся ИК-аппаратура обнаружения стартов МБР по излучению их факелов строится именно в диапазоне вблизи 3,0 мкм по первой ступени и вблизи 4,0 мкм – по второй.Фон ночного неба простирается от 5 до 20 мкм и существенного вкладав общий фон не вносит. Температура холодного космоса с учетом звездного фона Tк.ф ≈ 3,5 К.
Фон звезд и планет для ИК-приемников аэрокосмического базирования практически несущественен.Особую роль играют так называемые "фоновые помехи", которыесоздают серебристые высотные облака, расположенные на высоте до80 км и состоящие из микрокристаллов водяного льда. Природа этихоблаков метеорологами до конца еще не выяснена.Эти облака являются точечной целью, отражающей солнечное излучение; имеющие размеры, сравнимые с размерами проекции факеластартующей МБР, и при наблюдении поверхности Земли с высоких орбит движутся относительно поверхности Земли со скоростью, сравнимой со скоростью стартующей МБР.Для борьбы с этими фоновыми помехами (ложными целями) на борту космического аппарата необходим компьютер с алгоритмом "селекции движения".
С помощью этого алгоритма движение серебристыхоблаков легко селектируется по сравнению с движением МБР, имеющей определенный тангаж, азимут и плоскость стрельбы. Просто дляэтого необходима компьютерная обработка нескольких последовательных кадров обнаружителя.173. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИПриемники ИК-излучения фактически являются преобразователями энергии в какую-либо удобную форму для непосредственного измерения – электрический ток, напряжение, почернение фотоэмульсии идр.
Остановимся на основных характеристиках ИК-приемников.Чувствительность – отношение изменения электрической величины на выходе приемника излучения (ПИ), вызванного падающим на негоизлучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.Токовая чувствительность SI – чувствительность ПИ, у которогоизмеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой Sv – чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.Интегральная чувствительность ПИ – чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, амонохроматической S λ – чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны λ .Статическая чувствительность – отношение постоянных значений измеряемых на входе и выходе ПИ величин, а дифференциальная – отношение малых приращений этих величин.Квантовый выход (для ФЭУ и других ПИ с внешним фотоэффектом) – отношение числа фотоэлектронов, преодолевших работу выходаи вышедших из фотокатода в вакуум, к числу фотонов, падающих нафотокатод.Квантовая эффективность (для твердотельных телевизионныхфотоэлектрических преобразователей (ТТФЭП) – отношение числафотогенерированных носителей в полупроводнике к числу падающихфотонов.
Квантовый выход для ТТФЭП (как отношение поглощенныхфотонов к числу фотогенерированных носителей заряда) всегда ≡ 1 .Обнаружительную способность используют при сравнении нескольких ПИ и считают, что ПИ, имеющий самый высокий выходной18сигнал при данной облученности, имеет лучшую чувствительность. Однако если ПИ сравнивают по способности к обнаружению минимального потока излучения, то лучший приемник тот, который обладает наименьшей величиной Рпор , т. е. потока, равного тому потоку, которыйвызывает на выходе ПИ сигнал, равный собственному шуму.
Джонспредложил использовать величину, обратную Рпор, т. е. обнаружительную способность D:D=1, Вт –1.Pпор(3.1)Большие теоретические и экспериментальные исследования показали справедливость допущения, что D обратно пропорциональна квадратному корню из площади ПИ, т. е.D Sэл = const,(3.2)см2.где Sэл – площадь чувствительной площадки ПИ,Так как шум на выходе ПИ содержит много гармоник разной частоты, ясно, что D зависит от полосы частот измерительного устройства.Предполагая, что напряжение шума, отнесенное к полосе частот, независит от частоты (хорошо проверенное утверждение на практике),получим, что D меняется обратно пропорционально квадратному корнюиз полосы частот ∆f .Используя это предположение, Джонс ввел величину D*, отнесеннуюк полосе частот ∆f = 1 Гц и площади ПИ в 1 см2D∗ = D ( Sэл ∆f )1/ 2=( Sэл ∆f )1/ 2 ,Pпор(3.3)где D измеряется в см⋅Гц1/2⋅ Вт–1; Sэл – см2; ∆f – Гц; D* – удельнаяобнаружительная способность.3.1. ПИ с внешним фотоэффектомВнешний фотоэффект открыт Герцем в 1887 г., но лишь в 1902 г.
Эйнштейн объяснил это явление.Энергия фотона:E = hυ =hc.λ(3.4)19Фотон, поглощенный фотокатодом, отдает свою кинетическую энергию электрону металла, а тот может преодолеть работу выхода и выйти в вакуум.Кинетическая энергия фотоэлектрона, вышедшего в вакуум,mv 2hc= hυ–ϕ =– ϕ,(3.5)2λгде ϕ – работа выхода поверхности фотокатода.Самую низкую работу выхода среди металлов (1,9 эВ) имеет цезий.Так как энергия фотона зависит от частоты, то существует "краснаяграница" фотоэффектаE′ =λc =1, 24,ϕ(3.6)где ϕ измеряется в эВ.В настоящее время созданы сурьямяно-цезиевые и полупрозрачныефотокатоды,квантовый выход которых достигает 10–12 %; λ c цезия составляет 0,65 мкм. У современных фотокатодов она λ c несколько больше.3.2.
Фотопроводящие ПИВ наиболее распространенных ПИ, работающих в ИК-диапазоне, используются различные виды внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.К полупроводникам относят электронные проводники, электросопротивление которых при Т = 300 К лежит в пределах от 1⋅10–2 до1⋅109 Ом⋅см. Таким образом, полупроводники по сопротивлению находятся между хорошими проводниками ( ∼ 1⋅10 –6 Ом⋅см) и изоляторами (от ∼ 1 ⋅1014 до 1 ⋅10 22 Ом⋅см).При абсолютном нуле (Т = 0 К) чистые и идеальные кристаллы большинства полупроводников должны быть изоляторами; их характерныеполупроводниковые свойства обнаруживаются при тепловом возбуждении и наличии примесей или дефектов.Собственная проводимость.
Если исключить область сверхнизких температур, полупроводники высокой степени чистоты часто обнаруживают так называемую собственную проводимость, которую следует отличать от примесной проводимости менее чистых образцов.В связи с этим введем еще понятие температурной области собственной проводимости как области температур, где на электричес20Egкие свойства полупроводника наличие в кристалле примесей существенно не влияет.На рис.
3.1 приведена схеEма электронных энергетичесПустая зонапроводимостиких зон, объясняющая возникУровеньновение собственной проводиЗапрещенная зонаФермимости. При Т = 0 К проводиЗаполненнаямость отсутствует.валентная зонаСостояния валентной зонызаполнены, все состоянияРис. 3.1зоны проводимости свободны.По мере увеличения температуры проводимость увеличивается вследствие теплового возбуждения электронов, приводящего к переходу этихэлектронов в зону проводимости, где они могут двигаться, а на их месте в валентной зоне остаются положительно заряженные "дырки".
Приналичии электрического или магнитного поля "дырки" могут двигатьсяаналогично электронам, но в противоположном направлении. В чистомполупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость.Так ведут себя чистые германий и кремний.При температурах ниже области собственной проводимости электрические свойства полупроводника определяются примесями. В этомслучае говорят о примесной, или несобственной проводимости.Валентные электроны могут получить от падающих фотонов энергию, достаточную для образования электронно-дырочных пар.
В результате под воздействием фотонного потока меняется проводимость. Такие ПИ называются фотосопротивлениями.Как и в случае с ПИ, основанными на внешнем фотоэффекте, существует длинноволновая граница, за которой энергия фотона недостаточна для создания пары. Пороговая длина волныλc =1, 24,Eg(3.7)где Еg – ширина запрещенной зоны, эВ.Все известные ПИ с собственной проводимостью имеют Eg ≥ 0,18 эВ(при Т = 300 К).
Соответственно, λ c ≥ 7,0 мкм. Полупроводники с соб21ственной проводимостью: кремний; германий; сульфид свинца; селенидсвинца; арсенид индия; антимонид индия.Для сдвига порога в сторону более длинных волн необходимы материалы с более узкой шириной запрещенной зоны. Обычным способомпонижения Еg является легирование основного материала другими материалами (в небольших количествах), а полученные материалы называются несобственными, или примесными.В несобственных материалах проводимость, по существу определяется лишь одним типом носителя – электронами в материале n-типа идырками в материале р-типа.3.3. Фотовольтаические приемники, илиприемники с p-n-переходомФотовольтаический ПИ содержит p-n-переход, образованный в примесном полупроводнике (рис.
3.2), где EF – уровень Ферми; Nа – концентрация акцентеров; ND – концентрация доноров; w – зона объемногозаряда.На рис. 3.2 на p-n-переход не подано смещения. При подаче обратного смещения Uсм.обр (рис. 3.3) энергетическая диаграмма видоизменяется, а EF оказывается ниже в n-зоне.hνnEgТыльныйконтактpNDhνNаn+EFhνp+ +WРис.
3.222Переднийконтактобр. смUEFВольт-амперная характеристикаpnфотовольтаического ПИ, экранированного от падающего излучения, показана на рис. 3.4 (кривая 1).Падающее излучение смещает этукривую в положение 2, появляется фотоэдс Ea. Из этих графиков ясно, что приэксплуатации такого ПИ положение рабочей точки может выбираться в широком диапазоне значений напряжениясмещения. Если выбирать в качествеWрабочей точку А, то падение напряжеРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
