Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002) (1095905), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

3.3ния на ПИ соответствует режиму разомкнутой цепи. В этом случае паралТоклельно с ним можно включить вольт1метр с большим сопротивлением и измерять на нем падение напряжения, соответствующее мощности падающего2потока излучения. Если нагрузить ПИAOна регистрирующее устройство с маНапряжениелым сопротивлением (амперметр), тоCB Eарабочей точкой будет точка В – режимкороткого замыкания.Наконец на ПИ может быть поданообратное смещение (точка С); ПИ становится высокоомным элементом, иРис.

3.4напряжение сигнала снимается с нагрузочного сопротивления, включенного последовательно с ПИ.Фотовольтаические ПИ обладают максимальной чувствительностью, когда они работают в режиме короткого замыкания при нулевомнапряжении смещения (рабочая точка В). Фотовольтаический ПИ является самогенерирующим устройством, которое не нуждается в источнике питания. Можно показать, что теоретически шумы фотовольтаических ПИ ниже шумов фотосопротивлений примерно на 40 %. Этосвязано с тем, что в фотосопротивлении генерационно-рекомбинационный шум (ГРШ) создают носители обоих знаков, а в фотовольтаических ПИ – только одного.233.4. Приемники с барьером ШотткиВ 1938 г.

Шоттки высказал предположение, что потенциальный барьер создается неподвижным пространственным зарядом в полупроводнике, а не за счет возникновения между металлом и полупроводником промежуточного химического слоя.На рис. 3.5 показаны энергетические диаграммы для идеального контакта металла с полупроводником n-типа без поверхностныхсостояний.1q Vn2qχ3qχδEcqϕmq ϕ BnEFqϕmqϕmEcn EV4q ϕBn=q(ϕm–χ)q ϕBnn EVEcEcEFEFqVbiqχn EVEFWn EVРис. 3.5На рис. 3.5: 1 – металл и полупроводник n-типа не соединены и ненаходятся в термодинамическом равновесии. Если их электрически соединить, то из полупроводника в металл перетечет некоторый заряд иустановится термодинамическое равновесие. При этом уровни Фермив обоих материалах сравняются, т.

е. EF в полупроводнике понизитсяотносительно EF металла на величину, равную разности соответствующих работ выхода (разность между EF и уровнем электрона в вакууме).Для металла – это qϕ m (ϕm в В ) , а в полупроводнике она равнаq (χ + Vn ) , где qχ – электронное сродство, т. е. разность между энергией для зоны проводимости Eс и уровнем электрона в вакууме, а qVn –положения уровня Ферми в запрещенной зоне полупроводника. Разностьqϕ – q(ϕ + Vn) – контактная разность потенциалов (рис.

3.5, 2).По мере уменьшения δ отрицательный заряд на поверхности металла увеличивается. При этом в полупроводнике образуется равный емуположительный заряд (рис. 3.5, 3). Вследствие относительно низкой концентрации носителей этот положительный заряд распределен в некоторой области вблизи поверхности полупроводника.24Когда δ становится сравнимым с межатомными расстояниями и зазор становится проницаемым для электронов, имеет место предельныйслучай (рис. 3.5, 4).

Очевидно, что высота барьера в этом предельномслучае равна разности между работой выхода металла и полупроводникаqϕBn = q ( ϕm − χ ) ,(3.8)где Vbi – контактная разность потенциалов; w – ширина обеденного слоя.Îáåäíåííûé ñëîéИтак, при контакте металла с полупроводником валентная зона проводимости полупроводника занимает определенное энергетическое положение по отношению к уровню Ферми металла.Зонные энергетические диаграммы контактов металла с полупроводником n-типа представлены на рис. 3.6 (при разных смещениях), гдеa – термодинамическое равновесие; б – при прямом смещении; в – приобратном смещении.а)Ecq(Vbi–VF )qVFqVbiqϕΒnб)EFEVв)q(Vbi+VR )qVRРис. 3.6Рис. 3.7 иллюстрирует энергетическую диаграмму барьера Шотткиотносительно уровня электрона в вакууме, где qϕ Bo – высота барьера вотсутствие поля; qϕ Bn – высота барьера при термодинамическом равновесии; ∆ϕ F – повышение барьера при прямом смещении; ∆ϕ R – понижение барьера при обратном смещении.25W1qϕΒ nqϕΒ ο∆ϕR∆ϕFВакуумEc(V > 0)W2Ec(V = 0)nW3E(V < 0)Рис.

3.7Таким образом, вблизи с металлом в полупроводнике образуется слойс обеднением основными носителями. Электрон из металла под действием падающего фотона может преодолеть потенциальный барьерqϕ Bn и попасть в полупроводник, создав фототок.3.5. Обнаружительная способность и пороговый потокСовершенно очевидно, что ограничением чувствительности ПИявляется его шум. Этот шум имеет ряд составляющих. Рассмотримсигнальный поток. Если мощность излучения от цели мала (обычнотак и бывает), то Wλ флуктуирует, и к нему применим закон о дисперсии флуктуаций.В 1903 г. Эйнштейн, независимо от Больцмана, показал, что диспер2сия флуктуаций, или среднего квадрата отклонения ∆ E от среднейэнергии фотонов E , подчиняется соотношению26( )∆ E2 = E2 − E2= kT 2∂E.∂T(3.9)Отождествляя Ec Wλ и дифференцируя (3.2), получаем выражениеdWλ 2πhc=dTλ52ech / kT λ(ech / kT λch 1kλ T 2)−12=2πh 2 c31λ6kTe2−chkT λ .Подставляя это выражение в (3.9), получаем( ∆Wλ )2=2πh2c3−chkT λ .(3.10)eλ6Для ИК-диапазона при Т = 80 – 900 К эта величина весьма мала.

т. е.шум определяется не флуктуациями сигнального потока, (для потока отточечного АЧТ, удаленного на ∞) . Это – среднеквадратичное отклонение от среднего значения Wλ .На самом деле Эйнштейн показал, чтоε 2 = 2 χT 2dE,dTгде ε – энергия фотона, а Больцман отождествил 2χ = k .Вообще-то W на самом деле W (λ , T ) . Доля энергии, приходящаясяна λ max ± ∆λ , где ∆λ → 0 , при ε < 1 в малом телесном угле будет мала,dEможно заменить на прямыеdTdE∆E 2 = kT 2,dTтак как дифференцирование – только по Т.В том же 1903 г. Эйнштейном было доказано, что дисперсия флуктуации, т.

е. отклонение от среднего значения n числа фотонов, удовлетворяет соотношениюа круглые (частные) производные( ∆ n )2 = n.(3.11)27Таким образом, средняя квадратичная флуктуация числа падающихна ПИ фотонов будет( ∆ n )2 =(3.12)n.Обратим внимание на исключительную важность соотношений (3.11)и (3.12) для определения пороговой чувствительности ПИ. Выражение(3.11) фактически означает, что малые потоки фотонов подчиняютсяраспределению Пуассона.В формуле (3.3) введено понятие удельной обнаружительной способности D*.Найдем минимальную величину потока Pпор, при попадании которогона элементы ПИ выходной сигнал равен шуму ПИ (собственному).Величина ∆ f рассчитывается тогда, когда к ПИ обязательно подключена электрическая измерительная схема, полоса пропускания которойопределяется постоянной времени ПИ τ , т.

е.1∆f = .(3.13)2τКроме того, на ПИ вместе с потоком излучения от цели падаетфоновый поток, облученность (или энергетическая освещенность,Вт/см –2 ), от которого Е ф во много раз превышает величину облученности от цели на элементе Pc / Sэл , где Pc – сигнальный поток отцели, проекция которого желательно должна быть равна площади элемента ПИ.Эту проекцию, как будет показано ниже, называют кружком рассеяния оптической системы (ОС), формирующей изображение цели наэлементе ПИ, т. е.

в идеале необходимо, чтобыπ 2Sэл ≈ dкр,(3.14)4где dкр – кружок рассеяния ОС.Если яркость фона, на котором наблюдается цель, Вф, то в плоскостифокусировки ОС, т. е. на ПИ, облученность от фона будет Bф π sin 2 A ,где А – выходной апертурный угол объектива2π Dτ   Bф , Вт ⋅ см –2 ,(3.15)4 Fгде τ – пропускание СО; D – диаметр входного зрачка ОС; F' – фокусное расстояние ОС.Eф28Таким образом, Еф зависит от F(очень важный вывод).

Воспользовавшись формулой (3.9), вычислим поток,попадающий на ПИ от излучения АЧТ,согласно формуле (1.3), находящегося от ПИ не на ∞ , а на расстоянии R(рис. 3.8), где R " D – диаметр входного зрачка; R – расстояние от АЧТдо ПИ; α – угол, стягиваемый D.Для энергии АЧТ в малом телесномDRАЧТ(W λ Τ)αРис. 3.82D πD≈,R 4 R2попадающая через ОС на ПИ, будетугле α, равном π sin 2Rλαmax =π2 hcD 2 τ hc / kT λ maxe−1R 2λ5max 2()–1.(3.16)Для длинных волн λ max = 3 – 14 мкм; и не очень высоких температур chАЧТ 80–900 К  e kTλ max − 1 " 1. Поэтому сделаем преобразованиеRλαmax =2π 2 hcτ  D  – hc / kTmax.  e2λ 5max  R (3.16)1. Спектральная плотность излучения, попадающая на ПИ через ОС,пропорциональна площади входного зрачка ОС и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника (цели).2.

Поток (Вт/элемент) в плоскости фокусировки ПИ не зависит отфокусного расстояния F ОС.Ранее определили понятие квантовой эффективности ПИη=NeфNф,(3.17)где η – квантовая эффективность; Neф – среднее число фото генерированных носителей; Nф – среднее число падающих на поверхность29ПИ фотонов; Рпор соответствует определенное число падающих фотонов от полезного сигнала, равного шуму(cNeпор= ηmax ∆NфТак как энергия U = hυ=)2Sэл = Nф hmax Sэл .hcλ ηc, то Neпор= Рпор max max , откудаλ maxhcPпор =hсλ maxNф S элηmaxИз формулы (3.3) D = D ( S эл ∆f )1/ 2∗Pпор =.(3.19)1/ 2Sэл ∆f )(следует, что=PпорSэл ∆ г.р.ш,(3.20)D∗где ∆f г.р.ш – полоса частот генерационно-рекомбиниционного шума отфона.

Флуктуации сигнального потока очень малы. Стало быть, фоновая облученность, создающая на выходе ПИ сигнал, равный ГРШ, определяет пороговый поток, или пороговую чувствительность ПИPпор =hcλ maxSэл Nфηmax 2Tн,(3.21)1– эквивалентная шумовая полоса генерационно-рекомби2Tннационного шума фотогенерированных носителей от фона, а никакихгде ∆f =других составляющих шума нет; Nф в см –2 ; Nф согласно (3.12) – флуктуация (среднеквадратичная) фонового потока.

Этот режим называется режимом ограничения чувствительности ПИ флуктуациями фона.∗Нормированная пороговая чувствительность ПИ DBLJP определяется,как D* ПИ с η ≡ 1 во всей спектральной полосе его чувствительности, ишумом, оределяемым только флуктуациями потока, падающего на него отфона; BLJP – Background Limited Jnfrared Photoconductors – предельно чувствительный режим (достижим только в идеальном приемнике).304. СИГНАЛ И ШУМПри считывании сигнала с регистрирующего устройства, подключенного к выходу ПИ, имеем набор случайных значений сигнала, из которых можно сделать выборку. Электрические сигналы с выхода усилителя подчиняются закону нормального распределения Гаусса.Гауссовский (нормальный) дифференциальный закон распределенияслучайной величины x  x − M ( x ) 2  .p ( x) =exp  – 2σ π2σ1(4.1)Математическим ожиданием, или средним значением случайнойвеличины (сигнала) является сумма произведений всех возможных значений xi на соответствующие им вероятности pi, т.

Характеристики

Список файлов книги