Часть II

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Глава 3

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

§3 .1 . Классификация приемников излучения

Элемент или устройство, предназначенное для приема и преобразования энергии оптического излучения в какие-либо

другие	виды энергии,называется п р и е м н и к о м о п т и ч е ­
с к о г о	и з л у ч е н и я . В дальнейшем вместо термина «прием­

ник оптического излучения» будем употреблять термин «приемник излучения» (ПИ). ПИ, преобразующие невидимое рентгеновское, ультрафиолетовое или инфракрасное изображение в видимое, называют п р е о б р а з о в а т е л я м и . В данном учебном пособии рассматриваются физические ПИ, которые являются важ­ нейшими элементами оптико-электронных приборов и осущест­ вляют связь между его оптической и электрической частями, пред­

определяя технические требования	к конструированию прибора
в целом.
Физические ПИ можно разбить	на четыре группы: тепловые;

фотоэлектрические (на внутреннем и внешнем фотоэффекте); фотохимические и прочие, не вошедшие в первые три группы. ПИ третьей группы в пособии не рассматриваются по причине того, что они используются в основном в оптических приборах. Т е п ­ л о в ы е ПИ основаны на преобразовании оптического излучения сначала в тепловую энергию, а потом в электрическую и отличаются друг от друга физическими принципами работы. ПИ, основанные на изменении сопротивления чувствительного элемента под дей­ ствием тепла, возникающего при падении потока оптического излучения, получили название болометров, а ПИ, использующие термоэлектрический эффект, называются термоэлементами. Боло­ метры и термоэлементы по типам отличаются друг от друга мате­ риалом чувствительного элемента, условиями охлаждения, кон­ струкцией приемного элемента, газовым наполнением, изотермичностью и т. д. В настоящее время наряду с металлическими и полу­ проводниковыми болометрами существуют диэлектрические, осно­ ванные на температурной зависимости импеданса сегнетоэлектриков, использующие зависимость диэлектрической постоянной вещества от температуры.

Кроме того, в последние годы появились анизотропные термо­ элементы с большой приемной площадкой, выполненной из плас­ тинки термоэлектрически анизотропного монокристалла, и экстру-

зированные термоэлементы малого сечения конструкции Шварца, у которых ветви термоэлемента изготавливаются из твердых растворов.

Калориметрами называют тепловые ПИ с достаточно массив­ ным, конструктивно развитым приемным элементом, в котором поглощенная часть падающей энергии оптического излучения преобразуется в тепло, а затем часть тепловой энергии, пропор­ циональная входной оптической величине, в чувствительном эле­ менте калориметра преобразуется в сигнал измерительной инфор­ мации (чаще электрический). Чувствительные элементы калори­ метров с электрической входной величиной делятся на термоэлек­ трические, термометры сопротивления и емкостные с диэлектри­ ком на основе пироэлектрического вещества. Калориметры можно классифицировать по динамике изменения температуры, по виду чувствительного элемента, по виду поглощения, по длительности воздействия измеряемого оптического излучения, по способу охлаждения и по конструкции.

В последние годы широко стали применять пироэлектрические ПИ, основанные на пироэлектрическом эффекте, который заклю­ чается в том, что при изменении температуры пироэлектрического кристалла изменяется его поляризация. Пироприемники можно также классифицировать по материалу, из которого изготавли­ вают чувствительный элемент, по виду охлаждения, конструкции и т. д., однако такая классификация получается слишком громозд­ кой, поэтому их целесообразно классифицировать по назначению.

К специальным видам тепловых ПИ можно отнести оптико­ акустические ПИ, основанные на расширении объема газа под действием падающего излучения, дилатометрические ПИ, тепловые преобразователи изображения и ПИ на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце.

Оптико-акустические ПИ делятся на два вида: селективные, в которых поглощает сам газ, а его расширение фиксируется опти­ ческим или емкостным микрофоном, и неселективные, в которых излучение поглощает зачерненная мембрана, нагревающая сопри­ касающийся с ней газ, воздействующий на оптический микрофон. Оптико-акустические приемники классифицируют по вышеназван­ ным видам и по типу оптических микрофонов, осуществляющих преобразование: давление газа — электрический сигнал.

По принципам работы к оптико-акустическим ПИ близки дилатометрические ПИ, использующие тепловое расширение твердых тел под действием поглощенной части падающего потока излучения. Приемным элементом дилатометрических ПИ служит биметаллическая пластинка.

Тепловые преобразователи изображения можно классифициро­ вать по их видам и по тем физическим процессам, которые зало­ жены в их основу.

В качестве приемного элемента в ПИ на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце служит задемпфированная

(приклеенная на теплопроводящий элемент) пластинка кристалли­ ческого кварца Х-среза с токопроводящими электродами, один из которых обращен к демпферу, а на другой наносится поглощаю­ щее покрытие, определяющее диапазон спектральной чувствитель­ ности приемника. Такие приемники можно классифицировать по их назначению, виду охлаждения, конструктивным особеннос­

тям, по динамическому диапазону	и т. д.
Ф о т о э л е к т р и ч е с к и е	ПИ делятся на две большие
группы — фотоэлектрические ПИ	на основе внутреннего фотоэф­
фекта и фотоэлектрические ПИ на основе внешнего фотоэффекта.

В фотоэлектрических ПИ падающие на ПИ фотоны оптического излучения прямо взаимодействуют с его кристаллической решет­ кой, в результате чего освобождаются носители тока. Если осво­ божденные носители тока остаются в полупроводнике, то наблю­ дается в н у т р е н н и й ф о т о э ф ф е к т , который в фото­ резисторах проявляется в увеличении их электропроводности (фотопроводимости). Если внутренний фотоэффект возникает в системах, состоящих из двух различных контактирующих веществ (металла и полупроводника, двух полупроводников) при освеще­ нии приконтактной области, то возникает фото-э. д. с. Это явление называют вентильным фотоэффектом, а ПИ, основанные на этом явлении, называют вентильными фотоэлементами, или фотоэле­ ментами с запирающим слоем. Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применить полупроводники с п- и р-проводимостью, то такой ПИ называют фотодиодом. Фото­ диоды с односторонней проводимостью р— п-перехода могут рабо­ тать в фотогальваническом режиме, когда при освещении появ­ ляется фото-э. д. с., и в фотодиодном режиме с приложенным об­ ратным напряжением, когда при освещении меняется значение обратного тока.

ПИ, подобные фотодиодам, но представляющие собой системы с р — п— р-переходами и обладающие свойством внутреннего усиле­ ния фототока, называют фототранзисторами.

Развертывающие ПИ на основе полоски полупроводника р — п— p-типа, позволяющие получить на сопротивлении нагрузки временное распределение тока, соответствующее распределению освещенности на ней, получили наименование сканисторов. ПИ на р — п— р — ^-структурах, переходящие при освещении из закры­ того состояния в открытое в прямом направлении, называют

фототиристорами.

В последние годы появились матричные приемники, получив­ шие название приборов с зарядовой связью (ПЗС). Они представляют собой периодическую структуру из емкостных элементов на основе металл—диэлектрик— полупроводник (МДП) с последовательным переносом зарядов.

Если носители тока (фотоэлектроны), возникающие в веществе при его освещении, эмиттируются в вакуум или газ, образуя ток во внешней цепи, то наблюдается в н е ш н и й ф о т о э ф ф е к т .

Простейшими ПИ на основе внешнего фотоэффекта являются

вакуумные и ионные (газонаполненные) фотоэлементы (ФЭ) (ва­ куумные диоды) и фотоумножители (ФЭУ). Классифицировать ФЭ и ФЭУ можно по их назначению, по спектральной чувствитель­ ности, по газовому наполнению, по типу диодных систем и виду фокусировки электронных пучков у ФЭУ, по конструкции и по другим признакам.

КПИ на внешнем фотоэффекте относят также электронно-опти­ ческие преобразователи (ЭОП), которые можно классифицировать по виду фокусировки электронных пучков, по числу камер, где происходит усиление электронных потоков, по назначению (усили­ тели яркости или преобразователи излучения), по виду работ или исследований, проводимых с ЭОП, по конструктивному оформлению и т. д.

Кф о т о х и м и ч е с к и м ПИ относятся различные фоточувствительные фотографические материалы, применяемые в ОП

иОЭП.

Кгруппе «п р о ч и х» ПИ можно отнести пондеромоторные ПИ, основанные на давлении света.

§ 3.2. Параметры и характеристики приемников излучения

Для оценки технических свойств и эффективности использова­ ния ПИ применяют систему параметров и характеристик.

П а р а м е т р — это величина, характеризующая определен­ ное свойство ПИ, служащая критерием оценки его качества при работе в определенных условиях. Параметр можно измерить экспериментально или вычислить по данным измерений других

величин.
Х а р а к т е р и с т и к о й	называют зависимость, описы­

вающую изменение какого-либо параметра ПИ при изменении внеш­ них факторов. Характеристику можно выразить формулой, гра­

фиком или таблицей.
К основным параметрам ПИ относятся следующие.
I. П а р а м е т р ы	ч у в с т в и т е л ь н о с т и		ПИ:	инте­
гральная чувствительность SHHт; интегральная токовая чувстви­
тельность S 7; интегральная вольтовая		чувствительность		Sv;
монохроматическая чувствительность S%\ импульсная чувстви­
тельность 5 Имш коэффициент использования потока			излучения х;
эффективная ширина полосы чувствительности АЯэфф.
II. П о р о г о в ы е	и ш у м о в ы е	п а р а м е т р ы		ПИ:

ток шума /ш; напряжение шума 1/ш; пороговый поток в заданной полосе Ф п; пороговый поток в единичной полосе Ф п1; удельный пороговый поток Фп; обнаружительная способность D; удельная обнаружительная способность!)*; радиационный пороговый поток

Фрад. ш	квантовая пороговая чувствительность	Ф р хп-
III.	В р е м е н н ы е п а р а м е т р ы ПИ:	собственная по­

стоянная времени т; граничная частота модуляции /гр; темновое

сопротивление приемника 7?т; динамическое сопротивление фото­

диода	R d; емкость приемника	С.
IV.	С п е к т р а л ь н ы е	п а р а м е т р ы ПИ: максимум

спектральной характеристики Хтах; коротковолновая граница спектральной чувствительности Я/; длинноволновая граница спек­ тральной чувствительности V .

V. Э к с п л у а т а ц и о н н ы е п а р а м е т р ы ПИ, к кото­ рым, в частности, относят рабочее напряжение фотоприемника Vp; максимально допустимую рассеиваемую электрическую мощ­

ность	Р тах; температурный коэффициент фототока а т; нестабиль­
ность	параметров во	времени.
К основным характеристикам ПИ относятся следующие.
I. С п е к т р а л ь н ы е			х а р а к т е р и с т и к и	ПИ: абсо­
лютная спектральная		характеристика чувствительности			S a6c (^);
относительная спектральная			характеристика чувствительности
5 ( К ) .
II.	В о л ь т о в ы е х а р а к т е р и с т и к и			ПИ:	вольт-

амперная характеристика / (У); вольтовая характеристика чувстви­

тельности S (У); вольтовая	характеристика тока шума		/ш (V);
вольтовые характеристики	напряжения шума Vm (V) и т. д.
III . Х а р а к т е р и с т и к и		з а в и с и м о с т и	п а р а ­

м е т р о в П И о т в е л и ч и н п о т о к а и з л у ч е н и я : люкс-омическая характеристика R (Е ); энергетическая характе­

ристика	фототока П И /ф (Ф ); энергетическая			характеристика
напряжения фотосигнала			П И Vc (Ф ).
IV. Ф о н о в ы е		х а р а к т е р и с т и к и :		фоновая	харак­
теристика сопротивления R (Фф); фоновая характеристика чув­
ствительности S (Фф); фоновая характеристика тока шума / ш (Фф);
фоновая	характеристика		напряжения шума Vm (Фф);		фоновая
характеристика обнаружительной способности				D* (Ф ф)	и т. д.
V. Ч а с т о т н ы е		х а р а к т е р и с т и к и		ПИ: частотная
характеристика чувствительности S (f)\ фазовая				характеристика

Ф (/); частотная характеристика удельной обнаружительной спо­ собности D * (/); частотная характеристика спектральной плот­ ности тока шума /ш (/); частотная характеристика спектральной

плотности	напряжения шума Vm (/).
V I. Т е м п е р а т у р н ы е ,			в р е м е н н ы е и п р о с т ­
р а н с т в е н н ы е		характеристики ПИ.
Параметры приемников			излучения.	Ч у в с т в и т е л ь ­
н о с т ь ю	ПИ называют отношение изменения измеряемой элек­
трической величины,		вызванного падающим		на ПИ излучением,

к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. В зависимости от того, в какой сис­ теме фотометрических величин характеризуют падающее излучение, различают чувствительности к потоку излучения Sф, е, к световому потоку S ф,у> к облученности SE,e или освещенности Se, v- По спектральному составу регистрируемого ПИ излучения разли­ чают интегральную SHHт и монохроматическую S% чувствитель­

ности. Различают также статическую чувствительность, опреде­ ляемую отношением постоянных значений измеряемых на выходе и входе ПИ величин, и дифференциальную — отношением малых приращений этих величин. Иногда используют понятие удельной чувствительности ПИ, которая представляет собой чувствитель­ ность, отнесенную к одному вольту питающего напряжения.

При экспериментальном определении чувствительности ПИ оговаривают частоту и форму модуляции потока излучения и форму выходного сигнала, так как от них зависит чувствительность.

Интегральной чувствительностью ПИ называют его чувстви­ тельность к немонохроматическому (сложному) потоку излучения заданного спектрального состава. Например, для ПИ с внешним фотоэффектом

5ИНТ = А//ДФeV, А/Вт, А/лм;

для фоторезисторов
5 ИНТ = (AR/R) (1/АФeV), 1/Вт,	1/лм.
При снятии S h h t внешняя схема включения	не должна влиять

существенным образом на результаты измерений. Shht — величина паспортная и относится к определенному источнику, для другого (не паспортного) источника ее надо пересчитывать. В качестве источников, по которым определяется 5 ИНт» рекомендуются:

светоизмерительная лампа накаливания при цветовой темпера­ туре Тцв = 2856=Ь10 К (источник типа А) для ПИ, чувствительных в видимой области спектра;

полный излучатель (черное тело) с температурой полости 1273dh 15 К для ПИ, чувствительных к ИК-области спектра.

На практике чаще применяют интегральную токовую 5 HHTJ . А/Вт, А/лм, А/лк, А-м2/Вт, или интегральную вольтовую SHHT В/Вт, В/лм, В м 2/Вт, В/лк, чувствительности, характеризующие чувствительность ПИ не вообще, а применительно к реальной схеме его включения. Индекс «инт» можно опускать. Интегральная токовая (вольтовая) чувствительности могут сниматься при немодулированном потоке излучения, при этом

	S HHT / =	V ® »	А/Вт,	А/лм;
	Shht V =	У ф /Ф ,	В /В т ;	В/ЛМ.
Здесь /ф =	/ 0 — /т; 1/ф = Vo — VT; / 0 и V0 — общие ток и напря­
жение; / т	и Vt — темновые ток и напряжение.

Для модулированного или импульсного потока излучения частоту, форму и глубину модуляции при измерении параметров и определении характеристик выбирают в соответствии с требова­ ниями стандартов и ТУ на ПИ конкретных типов. Если этих тре­ бований нет, то применяют электромеханические модуляторы с вращающимися дисками и 100%-йглубиной модуляции с частотой 800±20 Гц. Форма модуляции должна приближаться к синусои­ дальной (р = 0,353).

Технические условия на фоторезисторы устанавливают частоты модуляции 400 и 500 Гц, инерционные тепловые ПИ паспортизуют при частотах модуляции в несколько герц, малоинерционные фотоэмиссионные ПИ в диапазоне 800— 1000 гц. В паспорте на ПИ оговаривают температуру и тип источника, частоту модуляции потока излучения и полосу пропускания усилительного тракта,

ккоторой отнесен данный параметр. Часто эти факторы приводят

втаблицах параметров как подстрочный индекс или в скобках

около значения параметра. Например, S (5oo, eoo.i)					означает, что
измерение велось по черному телу 500 К с				частотой модуляции
800 Гц и отнесено к		полосе пропускания 1 Гц.
По результатам измерений определяют средние значения инте­
гральной,	токовой	и вольтовой	чувствительности		Sj ср, SVcр
по формулам
		п		п
	$1 ср =	2] *5/, i/n\	Sy ср — S	Sv, iln >
		i=1	<=1
где n — общее число измерений.
Максимальное отклонение чувствительностей AS/ max,						ASymax
находят по формулам:
AS; щах — шах I Sj max		S / Ср |>	ЛSyr max =	ШЗХ |Sy шах		у ср |•
Нестабильность		чувствительностей (%)		определяют		по фор­
мулам:
бSj =	(ASj щйх/Sj Ср) ЮО;		bSy — (А5у max/Svcp) 1^0.
Под монохроматической чувствительностью понимают чувстви­
тельность ПИ к монохроматическому излучению Ф*,:
S k = A//AOx, А/Вт, А/лм;			= АV/ДФъ В/Вт, В/лм.
Импульсной чувствительностью Г1И называют отношение амп­
литудного	значения	фототока (напряжения) фотосигнала, вызван­

ного падающим на ПИ импульсным излучением, к амплитудному значению потока излучения при заданной его форме.

Пороговые и шумовые параметры приемников излучения. По­ мимо полезного регулярного сигнала в выходной цепи ПИ наблю­ дается хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой — ш у м ПИ. На фоне шума становятся неразличимыми малые полез­ ные 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 характе­ ристиками, 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.

Т о к о м ш у м а ПИ /ш 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 Vm — среднее квад­ ратическое значение флуктуации напряжения на заданной нагруз­

ке в цепи	ПИ в указанной полосе частот.
В ПИ	имеются следующие в и д ы ш у м о в .

Радиационный {фотонный) шум возникает из-за флуктуации потока квантов, падающих на фотоприемную площадку, от фона и флуктуаций потока квантов, излучаемых самим ПИ в простран­ ство, так как его температура отлична от абсолютного нуля.

Дисперсия флуктуаций потока излучения фона с температурой Тф и коэффициентом теплового излучения е^ф, поступающего на фотоприемную площадку с площадью А в полосе частот А/, имеет вид

		ДФф = 8ост&тфкТфОА А/,
где а т =	&тп	— коэффициент поглощения фотоприемной		пло­
щадки; k — постоянная Больцмана, k — 1,38-10~23 Дж-Кг1;				а —
постоянная	Стефана— Больцмана,		сг = 5,67-1СГ8 Вт/м"2-К”4.
Дисперсия		флуктуаций потока	излучения, излучаемого	ПИ,

Лф£. и = 8BTnk T sa. uo A А/.

Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума,

ДФр. ш = ДФф ДФп. и ^ SkoAccj Д/ (втфТф -j- Тп. и)*

Дисперсия напряжения радиационного шума с учетом инте­ гральной чувствительности ПИ к излучению фона SHHT. ф и к излу­ чению самого ПИ 5ИНТ. п. и

Vp. ш = Shht. ф ДФф 5 Инт. п . и ДФп. и*

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 Д/ определяют

по формуле Найквиста

V I. ш = 4k T R А/;	71 ш = M T R - 1Дf,
где Т и R — температура и	сопротивление ПИ (для фотодиода

берут сопротивление базы R Q).

Дробовый шум определяется тем, что электрический ток пред­ ставляет собой поток частиц, флуктуирующих во времени, и имеет равномерный спектр. Дисперсию тока дробового шума в полосе Д/ определяют по формуле Шоттки

/др. ш = 2б/о Д/,

где е — заряд электрона, е = 1,6* 10~10 А-с; /0 — среднее значение тока в ПИ.

Протекая по нагрузочному сопротивлению /?„, ток дробового шума создает напряжение шума

Удр. ш = 2eIoRlAf.

Дисперсию тока дробового шума в полосе Д/ для ФЭУ вычис­ ляют по формуле

ЛР.ш= 2е/кМ21+ В) А/,

где /к — суммарный ток с фотокатода, А; М — коэффициент усиления ФЭУ; {1 + В) — коэффициент, учитывающий дробовый

шум	эмиттеров [для ФЭУ с электростатической фокусировкой
(1 +	В) = 2,5].

Дисперсия тока дробового шума в полосе Д/ у лавинных фото­ диодов на основе собственных полупроводников

Т„. ш = 2е10М3 Af,

где М — коэффициент умножения тока лавинного фотодиода. Для примесных лавинных р+ — /г-диодов (весь ток переносят

дырки)

Г№. ш = 2е1оМ3Д/ [1 + ( - ^ - ) ( т 1 1 ) 2] •

Для примесных лавинных п* — р-диодов (весь ток переносят

электроны)
		75р. Ш =		2е1оМ3А/ [ l - (1 -	К)	>
где	К =	р/а; а	и	Р — коэффициенты	ионизации	электронов	и
дырок соответственно. Для германия К > 1, для кремния К <							1,
для	GaAs	и GaP	К = 1.

Генерационно-рекомбинационный шум наблюдается у полупро­ водниковых ПИ и вызывается случайным характером генерации носителей тока, а также случайным характером рекомбинации этих носителей, т. е. флуктуацией числа и времени их жизни. Такой шум зависит от концентрации и времени жизни носителей

иповышается при увеличении напряжения питания УПитДисперсия напряжения генерационно-рекомбинационного шу­

ма для фоторезисторов на основе собственной проводимости в полосе Д/ имеет вид [57 ]

у 2	— 4V2	RHRT	Тн ^ _______ 1
V г-р. ш - * у пит		(/?т + R h ) 2	nV ! + (2я/тн)а ’

где R T и R B — темновое сопротивление фоторезистора и сопротив­ ление нагрузки, Ом; тн — время жизни носителей, с; п — кон­ центрация носителей, 1/см3; V — объем фотослоя, см3; f — частота модуляции потока излучения, Гц.

Шум мерцания (фликкер-эффект) возникает у фотоэлементов из-за непостоянства чувствительности фотокатода во времени, он

проявляется на низких частотах (J < 100 Гц) и может превышать дробовый шум на порядок

где В — постоянная, зависящая от фотокатода; А — площадь фотокатода; /м — частота модуляции потока излучения.

Токовый шум (избыточный, 1//м-шум) объединяет 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 R B опре­ деляют по формуле

где В' — коэффициент, зависящий от типа ПИ (для сернисто­
свинцовых фоторезисторов В' =	10-11-^10"12); R — сопротивление
приемника, Ом; /0 — среднее	значение тока в цепи ПИ, А.
На низких частотах (меньших 100 Гц) токовый шум у приемни­

ков может превышать другие виды шумов на порядок и более, с уве­ личением частоты свыше 1000 Гц он резко падает.

При расчете общего шума ПИ считают, что шумы некоррелированы, поэтому дисперсия суммарного напряжения шумов будет равна

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, аналогич­ ной той, которую применяют для измерения SHHTПо результатам измерения вычисляют среднее арифметическое / т. ср и Ут. ср из п измерений, определяют максимальное отклонение темнового тока /т шах (V T max) от среднего значения и определяют нестабиль­ ность темнового тока 8/т (6УТ) по аналогии с обработкой результа­ тов при измерении SHHT-Требования к измерительной аппаратуре те же. При измерениях / т.ш и VT, m сначала измеряют уровень собственных шумов установки Vml (/шi), не подавая на ПИ на­ пряжение питания. Затем подают питание Vn и измеряют сум­ марный шум Уш2 (/m2)- Если шумы ПИ близки к шумам уста-

новкиУш2 < ЗКШ1, то расчет ведут по формуле Vm = ]/"V^2 — Vhi.

Если Vm2 > ЗУШ1, то его значение и принимается за напряжение шума фотоприемника. Ток шума /ш = Vm/RH.

П о р о г о в ы м п о т о к о м Ф п ПИ в заданной полосе 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 равно среднему квадратическому значению напряжения (тока)

шума в заданной	полосе	частот	(ГОСТ	21934— 83*):
Ф п =	] / г v l j s	v ИЛИ	Ф п =	У 75, j s , .

Для фотоэмиссионных ПИ типа ФЭУ или фотоэлементов (ФЭ) Ф п ГОСТ 20526— 82 называет световой поток или поток излуче­ ния, который, падая на фотокатод, создает на выходе ФЭУ или ФЭ сигнал, равный среднему квадратическому значению напряже­ ния шумов темнового анодного тока, измеренного в определенной полосе частот (эквивалентом шума темнового анодного тока ФЭУ или ФЭ). Оба эти названия применяются в литературе при рас­ смотрении параметров различных ПИ.

Для сравнения пороговых потоков ПИ, снятых аппаратурой с различной полосой пропускания и имеющих разные по размерам приемные площадки, вводят понятие порогового потока в единич­ ной полосе и удельного порогового потока.

Пороговым потоком П И в единичной полосе частот Ф щ назы­ вают среднее квадратическое значение действующего на ПИ си­ нусоидально модулированного потока излучения источника сиг­ нала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в единичной полосе частот (Вт/Гц1/2)

фщ = Ф п/К а /.

Удельным пороговым потоком Ф£ называют пороговый поток ПИ в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по пло­ щади фоточувствительному элементу [Вт/(см* Гц1/2) 1

ф ; = Ф J Y дfA.

Иногда пороговую чувствительность ПИ характеризуют поро­ говой освещенностью или облученностью Е П> Е п\, Еп.

В качестве п о л о с ы п р о п у с к а н и я А/ берут чаще всего А/эфф — эффективную шумовую полосу пропускания изме­ рительного тракта (Гц):

где K (f) — функция, определяющая зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты; /Сшах — коэффициент усиле­ ния на резонансной частоте.

Величину Z), обратную пороговому потоку ПИ в заданной

(единичной) полосе частот, называют		о б н а р у ж и т е л ь н о й
с п о с о б н о с т ь ю :
D = 1/Фп, 1/Вт;	D x =	1/ФП1, Гц1/2/Вт.

Удельная	обнаружительная способность (Гц1/2-см/Вт) равна
D* =	1/Ф* = ~\fА/эффЛ/ Ф п =	К Д /ЭффЛ / У У * ш.

Чтобы учитывать влияние фоновых засветок на пороговый поток

ПИ, вводят понятие р а д и а ц и о н н о г о		п о р о г о в о г о
п о т о к а	ПИ Фрад. п — порогового потока ПИ в заданной

(единичной) полосе частот, шумы которого обусловлены флукту­ ациями теплового излучения фона заданной температуры.

Пороговые параметры относятся к определенному источнику, по которому их снимают. Для источника с другим спектральным

распределением	их надо пересчитывать.
При измерении Ф п, Ф пь Ф£,		D, D* в монохроматическом по­
токе излучения	к обозначению	добавляют индекс X: Ф пх, Фща.»

Ф ^ , D%y Dt.

Паспортные значения порогового потока и обнаружительной

способности вычисляют по измеренным						SVlLHT и VT. ш или S / инт
И /«р. ш*
	V 4	Z			Фг	V	m		I r m
Фп = 4	------ =		Л	----- =				= ® i -ЦМй-,
		ИНТ		‘J j ИНТ			К С		'С
где Ф 1 — действующее			значение		потока		излучения,			Вт	(лм).
Удельнуюобнаружительную способность								определяют по фор­
муле
	pi*			Т / Д	/ э ф ф	Л		/	с 1	/ А /	Эф ф Л
			Ут-m®i			^т- m®i
Временные	параметры			приемников		излучения.			Собственные
п о с т о я н н ы е		в р е м е н и			ПИ — тсп			и тн: тсп —			интер­

вал времени после прекращения воздействия излучения, по исте­ чении которого спадающее по экспоненте напряжение фотосигнала уменьшается в е раз; тн — время после начала воздействия излу­ чения, по истечении которого нарастающее по экспоненте напря­ жение фотосигнала достигает доли 1 — 1/е = 0,63 от своего мак­ симального значения. Разброс тсп и тн для однотипных ПИ не превышает 5— 10%. У некоторых ПИ (например, у фоторезисто­ ров) тсп Ф тн, так как процесс рекомбинации носителей у них зависит от квадрата их концентрации (или какого-либо другого закона). У фоторезисторов в первом приближении т определяется временем жизни носителей; у фотодиодов — временем пролета носителей от места их образования до р — n-перехода, где они ре­ комбинируют; у ФЭ и ФЭУ — временем пролета носителей от фотокатода до анода с учетом их неизохронности (не одновремен­ ный прилет на анод, что дает затяжку); у тепловых приемников — временем тепловых процессов.

Постоянную времени по фронту нарастания и спада сигнала определяют на установке, все измерительные устройства которой должны удовлетворять требованиям стандарта. В установке мо­

дулятор и фотозатвор должны формировать трапецеидальные им­ пульсы излучения с фронтом нарастания или спада импульса тфр < 0,2т, где т — минимальное значение собственной постоян­ ной времени ПИ, взятое из стандартов или технических условий на ПИ. Длительность импульса потока излучения тимп должна быть больше или равна 5т при скважности 2.

Уровень потока излучения

	5Ф5 VД/эффЛ < Фшах		100Ф£]/Д/ЭффЛ ,
причем для	должно быть R H <		0,05тфР/С, где С — емкость
установки,	Ф.
Г р а н и ч н а я		ч а с т о т а	ПИ /гр показывает частоту

синусоидально модулированного потока излучения, при которой чувствительность ПИ падает до значения 0,707 от чувствительности

при немодулированном	излучении за счет его		инерционности.
К э л е к т р и ч е с к и м		п а р а м е т р а м	ПИ относятся
темновое сопротивление	# т;	динамическое сопротивление R D =

= dV/dl при заданной облученности; емкость С. Сопротивление и емкость ПИ являются важными параметрами, так как они опре­ деляют постоянную времени трел схемой релаксации электрической цепи ПИ (трел = CR), которая может быть больше постоянной времени самого ПИ. От сопротивления ПИ зависит уровень его шумов и схема его согласования с усилителем. Сопротивление ПИ зависит от формы приемной фоточувствительной площадки, от наличия фона и охлаждения.

Темновое сопротивление можно вычислить, зная темновой ток /т и напряжение питания V:

		Rui = V/Ivi-
По	значениям	R Ti можно	определить среднее значение			тем-
нового	сопротивления
			п
		Ят. CD = i^=1Rvi/fl*
Максимальное		отклонение	R T от	среднего	значения AR Tmax
		AjRt щах = шах j R ii		R T. ср I*
Нестабильность темнового			сопротивления (%)
		бR T = (A R T Шах/Ят. ср) ЮО-
Параметр Хтах		определяет	местоположение		максимума	спек­
тральной чувствительности			ПИ, а	X' и V	— наименьшую и

наибольшую длины волны монохроматического излучения, при

которых	монохроматическая чувствительность ПИ		падает до 0,1
ее максимального значения.
Из	э к с п л у а т а ц и о н н ы х	п а р а м е т р о в			сле­
дует отметить наиважнейшие — рабочее напряжение				ПИ	Vv и
максимально допустимую рассеиваемую мощность			ПИ	Р тах, при

которых обеспечиваются номинальные параметры ПИ при дли­ тельной его работе в заданных условиях.

Характеристики приемников излучения. Спектральные харак­

теристики	ПИ определяют спектральный		диапазон их		работы.
А б с о л ю т н о й		с п е к т р а л ь н о й		х а р а к т е р и ­
с т и к о й	чувствительности ПИ Sa6c М		называют зависимость
монохроматической чувствительности S*,, измеренной в абсолют­
ных единицах, от длины волны падающего				на ПИ	потока
излучения.

В большинстве случаев спектральные характеристики ПИ имеют вид плавных кривых с одним максимумом при А,шах. Изме­ рение абсолютной спектральной характеристики на практике трудоемко, так как она изменяется не только от серии к серии ПИ, но и зависит от каждого отдельного ПИ внутри серии.

Между	тем о т н о с и т е л ь н а я	с п е к т р а л ь н а я
х а р а к т	е р и с т и к а чувствительности	ПИ S (X) — зависи­

мость его монохроматической чувствительности, отнесенной к зна­ чению максимальной чувствительности, от длины волны регистри­ руемого излучения — практически не меняется от ПИ к ПИ од­ ного и того же типа, а зависит от материала чувствительного слоя и приводится в справочниках; S (X) = Sa6c (^У^хтахЗная из

справочника S (X) и измерив Sbmax, можно легко построить Sa6c (X).

Экспериментально относительную спектральную характери­ стику чувствительности определяют при модулированном и немодулированном потоках излучения. Конструкция установки должна предусматривать одинаковый оптический ход потока из­ лучения от источника до исследуемого и аттестованного ПИ. В качестве аттестованного ПИ можно использовать неселективный ПИ в необходимой области спектра или селективный с известной спектральной чувствительностью в необходимой области спектра. При снятии S (1) требуется, чтобы ПИ работал на линейном уча­ стке энергетической характеристики, поэтому рекомендуемый максимальный поток излучения должен быть

Ф т ах < Ю 3.Ф^]/Д/эффЛ.

Сначала измеряют по аттестованному ПИ распределение спек­ тральной плотности потока излучения по длине волны на выходе монохроматора (меняя длину волны через 50— 100 нм, а в области ^тах — Ю — 20 нм) в относительных единицах, затем снимают

сигнал с исследуемого ПИ. Относительную спектральную ха­ рактеристику чувствительности исследуемого ПИ определяют по формуле

S (X) = rtxmw / ( m ^ max),

где Пх и /л*, — показания прибора, регистрирующего	сигнал,
в цепи исследуемого и аттестованного ПИ; л*,шах и тьт!1Х	— пока­

зания прибора, регистрирующего сигнал, в цепи исследуемого и

аттестованного ПИ излучения в максимуме показаний исследуе­ мого ПИ.

Если ПИ имеет нелинейную энергетическую характеристику фототока, то относительную спектральную характеристику чув­ ствительности определяют следующим образом: устанавливая по­ следовательно требуемые длины волн, с помощью регулировки режима источника или специального устройства в монохроматоре добиваются неизменного сигнала на выходе исследуемого ПИ, затем это же спектральное распределение измеряют в относитель­ ных единицах аттестованным неселективным ПИ. Значение S (А,) вычисляют по формуле

S (Ь) =

где тхт1а — минимальное показание прибора в цепи аттестован­ ного приемника.

На основании полученных результатов строят график S (Я.) = = f (к), по которому можно определить монохроматическую воль­ товую 5 у), или токовую Sjx чувствительности исследуемого ПИ на длине волны X по формуле

S VK = S (Я,) SvxmiX,

где Syx — вольтовая (токовая) чувствительность исследуемого

ПИ в максимуме чувствительности. Ее можно измерить заранее или рассчитать по формуле связи интегральной и спектральной чувствительностей

dV\= S a6c v (X) с1Фе = S a6c v (^) Ф<ж(^) d!k = SvhmaxS (к) Ф еь(X,) dX.

Чтобы получить сигнал от всего потока, необходимо проинте­ грировать полученное выражение

оо
V = S ™max \S^	^ = 5уЯ'шахФэФФ*
О

Э ф ф е к т и в н ы м п о т о к о м и з л у ч е н и я Ф Эфф для данного ПИ источника называют поток, который при чув­ ствительности ПИ, постоянной по всему спектру и равной максимальному значению Sn,max, вызвал бы такой же сигнал, какой

вызывает весь падающий реальный поток при реальной спект­

ральной чувствительности		(относится к	параметрам). И н т е ­
г р а л ь н ы й	п о т о к	от источника	равен

ф= ооf Фл(Ь)<И..

О

Следовательно,	можно определить и н т е г р а л ь н у ю
в о л ь т о в у ю ч у в с т в и т е л ь н о с т ь
	J 5 (Я)	(X) dX
= -ф" =	5 ^тах -- 5Г	=	и.	(3.1)

| ФеХ(Х)с1Х

Отношение интегралов в полученном выражении показывает, какую долю в сложном потоке, падающем на ПИ, составляет эф­ фективный поток Ф Эфф для данного ПИ и источника. Это отно­

шение обозначают х	и называют	к о э ф ф и ц и е н т о м	и с ­
п о л ь з о в а н и я	п о т о к а	и з л у ч е н и я д а н н ы м
ПИ (параметр ПИ),	или с п е к т р а л ь н ы м КПД ПИ.		Из

выражения (3.1) при известных Sv, S (X) и Ф ея, (^) можно опреде­

лить Syx	= Sy/x.
у шах	v

Спектральный КПД ПИ — очень важный параметр, и его можно найти в таблицах или определить графоаналитически, построив

	фл (А.) = Ф л	И S	(Я,) (рис.		3.1):
		J S (X) ФеК (X) dX		У S (X) q>eX (X) dX
	К =	У ФеЯ (Я) dX			У Фея (X) dX
	Если для ПИ известны интегральная				чувствительность					SHHT, и
	по какому-либо излучателю и S (X), то можно определить и его
	спектральную абсолютную		чувствительность
	5 ИНТ = *^тах^ ’			(^) =	*^абс (^)/*5^шах»
	откуда
		^абс (I)	= (5ИНТ
	В расчетах часто используют такой параметр, связанный со
	спектральной чувствительностью,			как э ф ф е к т и в н а я							ш и ­
					р и н а п о л о с ы ч у в ­
					с т в и т е л ь н о с т и ПИ
					ДА,эфф (см. рис. 3.1). Эф-
					фективной		шириной				по­
					лосы чувствительности ПИ
					называют		ширину			диапа­
					зона	спектра,		в		которой
					был бы сосредоточен						весь
					эффективный для					данного
					ПИ	поток	излучения,				при
	Рис. 3.1. Спектральный КПД приемника и				условии		что	в	этом		ин­
					тервале спектра				функция
	эффективная полоса	его чувствительности

спектральной плотности потока излучения постоянна и равна

своему

максимальному

значению, т. е.

ао

( фе* (X) S

(X) dX

Д^эфф —

фелшах

Или, переходя к относительным единицам путем деления чис­

лителя

и знаменателя

на

Ф ехтах,

получим

ао

ДХвфф =

j

<p*(A,)S(X)<tt,.

О

Сравнивая выражения для и и ДХэфф, можно заметить,

что они

взаимосвязаны:

ао

f® A(*)dX

Лх™

= "

■

Для тепловых приемников

S*

»

1, поэтому и х =

1.

Следо­

вательно, для тепловых приемников

оо

(*)<«■

со

Д^-вфф. тепл =

=

^ феХ (^) dX.

Если для теплового приемника в качестве источника исполь­

зуется

абсолютно черное тело при

температуре Г,

для

которого

известны значение М° =

сгТ4

и

максимальное значение спектраль­

ной плотности энергетической светимости

= аТь, Вт/м2*мкм

(а д* 1,31510“п Вт/м2-К6-мкм), то

“

* ло

аГ 4

__

4310

МКМ.

ДЛэфф. тепл--aj>b

—

у*

»

Коэффициент х можно

выразить

через

ДХБфф и ДХЭфф. ття:

оо

оо

f S (X) Ф л (X) dX

ГS (X) ФеА (X) dX

„

о

■

—

о

■

ДХэфф

и — ^

Д^-эфф. тепл

J

М ФвЯ,МJ

0

0

Вольтовые

характеристики

приемников

излучения.

В о л ь т -

а м п е р н о й

х а р а к т е р и с т и к о й

ПИ I

(V) называют

зависимость электрического тока ПИ от напряжения питания, приложенного к нему при фиксированном потоке излучения. Она определяет электрические свойства ПИ, его схему включения и выбор рабочего интервала.

Вольтовые характеристики выражают зависимость от напря­ жения питания чувствительности S (V) (при постоянном потоке излучения), среднего квадратического значения тока шума /ш (V),

среднего квадратического значения напряжения шума	(V I
порогового потока Ф п (У) и удельной обнаружительной	способ­
ности D* (У).

Характеристики зависимости параметров приемников излу­ чения от мощности излучения. К ним относятся люкс-омическая характеристика фоторезисторов — зависимость светового сопро­ тивления фоторезистора от освещенности R (Ev)t энергетическая характеристика фототока ПИ — зависимость фототока от потока излучения, падающего на ПИ, /ф (Фе), энергетическая характери­ стика напряжения фотосигнала ПИ — зависимость напряжения

сигнала от	потока излучения	Vc (Фе), световые характеристики
ФЭ и ФЭУ	— зависимости их	анодного фототока от светового

потока /а (Фу) и т. д. По этим характеристикам можно определять интегральную вольтовую и токовую чувствительности, так как они являются крутизной зависимостей Ус = / (Фе) и /ф = / (Фе). У большинства ПИ их чувствительность с увеличением потока излучения падает, поэтому при расчетах надо вводить поправки на ее падение при заданном спектральном составе излучения по энергетическим характеристикам.

Фоновые характеристики приемников излучения. Фоновые ха­ рактеристики — это зависимости, определяющие изменение со­

противления П И			R (Фф),	изменение	чувствительности	S (Фф),
тока шума /ш (Ф ф),			напряжения шума Vm (Фф), удельного поро­
гового	потока	Ф £	(Фф) или	удельной	обнаружительной	способ­
ности	D* (Фф)	от	немодулированного		потока излучения	фона.

Эти зависимости также надо учитывать при расчете. Необходимо принимать меры к уменьшению фоновых засветок — устанавли­ вать фильтры, пропускающие только рабочий спектральный ин­ тервал излучения.

Частотные характеристики приемников излучения. Ч а с т о т ­ н о й х а р а к т е р и с т и к о й ПИ называют зависимость какого-либо из его параметров (чаще чувствительности или об­ наружительной способности) от частоты модуляции потока излу­ чения (J). Она определяет, как и постоянная времени, динамиче­ ские свойства ПИ и связана с постоянной времени ПИ т, так как последняя определяет допустимую (граничную) частоту модуляции /гР потока излучения, когда сигнал падает в задан­ ное число раз за счет инерционности ПИ. Вид частотной харак­ теристики зависит от формы модуляции, например, динами­ ческие свойства приемника, имеющего экспоненциальную за­ висимость изменения выходного сигнала во времени, при синусои­

дальной форме модуляции потока излучения описываются следую­ щим выражением:

г а	f\=	Г--- P°Sl( --- 1 р- /(о^+ф)
(	’ П	LV1+ (2я/х)аJ

гдеФ0 — амплитуда потока излучения, Вт; / — частота модуляции потока излучения, Гц; ср — сдвиг фазы гармонической составляю­ щей выходного тока относительно фазы потока излучения; S7 — токовая чувствительность ПИ, А/Вт; т — постоянная времени ПИ,

с; } — — 1; о = 2я / — угловая частота изменения потока, Гц. Сомножитель в скобках характеризует изменение амплитуды выходного сигнала в зависимости от частоты модуляции потока излучения /. При / = 0 амплитуда имеет максимальное значение

h = Фо^/о» Sio = /0/Фо-

Отсюда относительное изменение токовой чувствительности ПИ в зависимости от частоты модуляции потока излучения /

Slf/Sl0= l / V l + (2nfTy.

Если считать допустимой частотой модуляции потока излуче­ ния такую /гр, когда SIf за счет инерционных свойств приемника уменьшается в два раза, то можно найти соотношение между т

И /г Р :
1/2 = МУ 1 +	(2 я/грт)2,
откуда 4 = 1 + 4 я 2/гРт2 или х/гр	3/2я .^ ё 0,28.

Для этих же условий падения S If для прямоугольной формы модуляции потока излучения т/гр 1,1/я ^ 0,32.

Общим условием выбора граничной частоты модуляции в за­ висимости от постоянной времени приемника будет /гр ^ 0,3/т.

Однако на практике существуют и используются различные требования на допустимое падение чувствительности из-за моду­ ляции. Так, встречаются требования [98]

5	(/Гр)	=	0 ,1 6 5	(0)	при	/ гр =	1/т;
S	(/Гр)	=	0 ,7 1 5	(0)	при	/гр =	1/2ят.

Зависимость сдвига фазы гармонической составляющей выход­ ного тока (напряжения) относительно соответствующей ей гармо­ нической составляющей потока излучения от частоты называется ф а з о в о й х а р а к т е р и с т и к о й . Фазовая характери­ стика в выражении для выходного сигнала при гармоническом

воздействии		определяется			сомножителем	(®*+ф> и		равна
tg Ф =	— сот.
Ч а с т о т н о й			х а р а к т е р и с т и к о й				у д е л ь н о й
о б н а р у ж и т е л ь н о й					с п о с о б н о с т и		ПИ	называ­
ется	зависимость		его	удельной обнаружительной способности
от частоты		модуляции		потока излучения D *		=	Ф (/).
Важными характеристиками ПИ являются спектральные рас­
пределения		плотности		среднего квадратического			значения тока