Определение интегральной чувствительности

Для определения интегральной чувствительности измеряют общий ток или напряжение фотоприемника на установке, структурная схема которой изображена на рисунке 12.7

Рисунок 12.7 – структурная схема установки для определения интегральной чувствительности

На фотоприемник или ФПУ подают рабочее напряжение и поток излучения, величины которых устанавливаются в соответствии с требованиями стандартов и технических условий на фотоприемники конкретных типов, и измеряют величину общего тока I_общ или напряжения U_общ. На той же установке измеряют темновой ток (I_т) или темновое напряжение (U_т) при подаче рабочего напряжения в условиях полного затемнения фотоприемника или ФПУ. Если это предусмотрено в стандартах или технических условиях на ФЭПП или ФПУ конкретных типов, измерения как темновых тока или напряжения, так и общего тока или напряжения проводятся после предварительного освещения ФЭПП или ФПУ, при этом уровень освещенности, время освещения и промежуток времени между снятием освещенности и измерением величин I_общ , U_общ, I_т, U_т регламентируется техническими условиями на ФЭПП или ФПУ конкретных типов.

По результатам измерения общего и темнового токов или напряжений вычисляют величину фототока I_ф или напряжения фотосигнала:

I_ф=I_общ – I_т, (12.3.9)

U_с=U_общ – U_т. (12.3.10)

Затем определяют интегральную токовую или вольтовую чувствительность

S_I=I_ф/Ф, (12.3.11)

S_U=U_с/Ф, (12.3.12)

где Ф – поток, попадавший на фотоприемник.

Если известна спектральная характеристика приемника излучения, то интегральная чувствительность может быть определена и по отношению к эффективному потоку. В этом случае чувствительность фотоприемника должна быть выражена по отношению к монохроматическому потоку в единицах мощности на длине волны излучения лазера.

Для определения нестабильности интегральной чувствительности проводят несколько последовательных измерений этой величины, поддерживая температуру в зоне размещения ФЭПП или ФПУ постоянной с точностью 2⁰C. При отсутствии иных требований осуществляют не менее 10 замеров через 30 – 40 с, а затем определяют максимальное отклонение величины S_инт от ее среднего значения.

Для определения вольтовой характеристики интегральной чувствительности измеряют темновой и общий токи (или напряжения) при различных напряжениях питания ФЭПП. При отсутствии иных требований измерения проводят при изменении напряжения от 0 до U_раб и при уровне потока излучения Ф, обеспечивающем десятикратное превышение фотосигнала над темновым током или напряжением. Количество точек отсчета внутри диапазона измерений напряжения питания, необходимых для построения вольтовой характеристики чувствительности, должно быть не менее 10 при равномерном распределении точек отсчета внутри диапазона.

При необходимости определить не единственное значение интегральной чувствительности в рабочей точке, а полную энергетическую характеристику интегральной чувствительности, измеряют общий ток (или напряжение) в определенном диапазоне изменения потока излучения, а затем определяют интегральную чувствительность при разных значениях потока и строят энергетическую характеристику. Если нет иных требований, границы диапазона изменения потока Ф определяют таким образом, что минимальное значение Ф_min соответствует двукратному превышению фотосигнала над уровнем темнового тока (или напряжения), а максимальное значение Ф_max – тысячекратному превышению. Количество точек отсчёта внутри этого диапазона изменения уровня потока излучения должно быть не менее 10. Расположение точек внутри этого диапазона рекомендуется равномерное.

Для определения температурной характеристики интегральной чувствительности применяют установку, структурная схема которой приведена на рисунке 12.8

При изменении фоторезисторов допускается применить в составе установки вместо измерителя тока (напряжения) измеритель сопротивления, при условии, что его напряжение находится в пределах линейного участка вольт – амперной характеристики фоторезистора. Оптическая схема включает в состав установки только при необходимости. При отсутствии иных требований измерения проводят в интервале температур от -70 до +80^°С. Количество точек внутри установленного диапазона температур может варьироваться в зависимости от его величины, но не должно быть менее 12. Точность поддержания температуры ±3^°С. По достижении определённой температуры в камере термостата ФЭПП или ФПУ выдерживают в течении 15 мин если не оговорены иные требования. Темновой и общий токи (напряжения) измеряют при всех выбранных значениях температуры и по полученным результатам строят температурные характеристики интегральной чувствительности.

Для измерения фотосигнала и для последующего определения интегральной чувствительности при облучении ФЭПП или ФПУ модулированным потоком применяют установку структурная схема которой приведена на рисунке 12.9

В посадочное гнездо устанавливают ФЭПП или ФПУ и подключают его ко входу измерительного тракта. При выборе сопротивления нагрузки R_н руководствуется соотношением

R_н = R_т ± 0,2 R_т,

где R_т 2 МОм – темновое сопротивления ФЭПП. При R_т> 2 МОм устанавливают R_н=2 МОм ±5%.

Рисунок 12.8 – Структурная схема установки для определения температурных характеристик ФЭПП или ФПУ

Рисунок 12.9 – Структурная схема установки для определения характеристик ФЭПП и ФПУ при модулированном потоке излучения

Уровень потока излучения при измерении должен обеспечивать уровень измеряемого фотосигнала, существенно превышающий шум (не менее, чем в 10 раз). Резонансная частота селективного измерительного тракта f_рез=f_мод±3%, где f_мод – частота модуляции потока излучения.

Интегральную вольтовую S_{U инт} или токовую S_{I инт} чувствительность определяют по формулам

S_{I инт} =I_Ф/Ф₁, S_{U инт} =U_с/Ф₁, (12.3.13)

где U_c, I_Ф – напряжение или ток фотосигнала; Ф₁ – действующее значение потока излучения.

Среднее квадратическое отклонение результата определения интегральной чувствительности по описанной методике не превышает 10%.

Для определения фоновых характеристик интегральной чувствительности в установку, структурная схема которой показана на рисунке 12.8 вводится дополнительно регулируемый источник фонового излучения. Тип источника и диапазон изменения уровня фонового потока излучения выбирают в соответствии с требованиями к ФЭПП и ФПУ конкретных типов. При отсутствии таких требований границы диапазона выбирают таким образом, чтобы минимальное значение фонового потока превышало пороговый поток не более чем в 10 раз, а максимальное значение – не менее чем в 10⁴ раз.

Измерение пороговой чувствительности

Пороговый поток (порог) Ф_п фотоприемника в заданной полосе частот определяется как среднеквадратическое значение действующего на фотоприемник синусоидально-модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднеквадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе частот:

Ф_п=/S_U. (12.3.14)

Иногда Ф_п называют порогом чувствительности, а в литературе на английском языке – эквивалентной мощностью шума (NEP). Чтобы исключить влияние полосы частот и облегчить сравнение различных ФЭПП между собой, порог рассчитывается в полосе 1Гц:

Ф_п1=Ф_п / (12.3.15)

Соотношение (12.3.15) предполагает, что шум – белый, тогда мощность его пропорциональна полосе ∆f, а среднеквадратическое напряжение - .

Шумы и пороговый поток ФЭПП зависят от геометрии образца. Припространственно некоррелированных шумах пороговый поток пропорционален , где А – эффективная площадь фоточувствительного элемента. Поэтому наиболее общий характеристикой пороговых свойств ФЭПП является пороговый поток Ф^*_п фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу

Ф^*_п=Ф_п/. (12.3.16)

Параметр Ф_п обладает тем недостатком, что, характеризуя качество фотоприемника, он уменьшается с улучшением пороговых свойств ФЭПП. Поэтому все большее распространение получает обнаружительная способность D – величина, обратная Ф_п. Для удобства сравнения между собой различных фотоприемников применяют главным образом удельную обнаружительную способность D^*, характеризующую величину D для фотоприемника с эффективной площадью фоточувствительного элемента 1 см² при ширине полосы измерительного тракта 1 Гц:

D^*=D. (12.3.17)

Пороговый поток определяется по измеренным значениям интегральной чувствительности S_U или S_I и напряжения U_ш (тока I_ш) шума в заданной полосе частот

(5.3.18)

Для определения удельного порогового потока необходимо определить эффективную шумовую полосу пропускания измерительного тракта Df_эфф и площадь А фоточувствительного элемента ФЭПП или ФПУ. Для нахождения величины Df_эфф ко входу измерительного тракта подключают генератор синусоидальных сигналов. Генератор настраивают в резонанс с измерительным трактом, а затем, поддерживают неизменным значением входного напряжения, уменьшают частоту генератора и фиксируют значение частот, на которых напряжение на выходе измерительного тракта становится последовательно равным 0.9; 0.8; 0.7; … 0.2; 0.1 от начального значения напряжения U_{вых.нач} на выходе. Величину Df_эфф определяют по следующей формуле:

(5.3.19)

где Df _i – ширина полоса пропускания i -го измерения; M _i =0.2; i – безразмерный коэффициент.

Площадь А ФЧЭ часто берётся как номинальная геометрическая величина. Удельный пороговый поток ФЭПП

Ф^*_п=Ф_п/. (12.3.20)

Строго говоря, в формулу (12.3.20) необходимо подставлять значение эффективной площади А_эфф, однако эта величина на практике измеряется далеко не всегда. В то же время разработчика аппаратуры, в которой используется ФЭПП, интересует в конечном счете не Ф^*_п, а Ф_п, иными словами, размер фоточувствительной площади входит в прямой расчёт при определении Ф^*_п из Ф_п, а затем в обратный расчёт при определении Ф_п из Ф^*_п и в этом смысле безразлично, какое значение А (эффективное или геометрическое) будет употреблено. Для определённости удобнее использовать геометрическое номинальное значение, всегда известное разработчику. В то же время, если Ф^*_п определяется для последующего сравнения между собой однотипных приемников с разной площадью ФЧЭ, следует, конечно, определить А_эфф и именно эту величину подставить в формулу (12.3.20). Значение Ф^*_п рассчитонное с учётом эффективной площади ФЧЭ, интересует главным образом разработчиков самих ФЭПП.

В практике сравнительной оценки различных ФЭПП чаще применяют не удельный пороговый поток Ф^*_п, а обратную ей величину – обнаружительную способность

D^*=1/Ф^*_п. (12.3.21)

Этот параметр более удобен, так как он растёт с улучшением пороговых характеристик ФЭПП. Наряду с параметрами Ф^*_п и D^* иногда используют удельные параметры, отнесённые только к единичной шумовой полосе, и для реальной площади ФЭПП они имеют размерность Вт/Гц^1/2 и Гц^1/2/Вт.