Параметры фотоприемников

Обзор и классификация фотоприемников

Приемники инфракрасного излучения

Основным элементом оптической приемной системы являются чувствительный элемент - детектор излучений, или фотодетектор, который выделяет огибающую несущего колебания оптической частоты. Классификационная схема фотодетекторов приведена на рис. 4.8.

Фотодетекторы излучения оптического диапазона можно разделить на две основные группы: тепловые и квантовые или фотонные. В основе действия детекторов первой группы лежит изменение их физических свойств при нагревании материала излучением. В квантовых детекторах излучения фотоны возбуждают отдельные электроны, переводя их на более высокие электрические уровни.

Детекторы

Тепловые Фотонные

Термопары Болометры с внешним с внутренним

фотоэффектом фотоэффектом

металлические полупровод-

никовые Фоторезисторы

на основе сверх-

проводимости Фотодиоды

Фото- СВЧ-фото- Лавинные Фотопара-

элементы элементы фотодиоды метрические

детекторы

Фотоэлектронные

умножители СВЧ-ФЭУ Фотоэлектромагнитные

(ФЭУ) детекторы

Рис.4.8

К тепловым детекторам излучения относят термопары и болометры.

Термопары. Принцип действия термопары основан на явлении термоэлектрического эффекта. Они имеют низкую чувствительность (1-3 В/Вт) и большую инерционность (t=1-10 с), что не позволяет использовать их в ИК ГСН. Однако они нашли применение для тарировки инфракрасных приборов.

Болометры основаны на изменении электропроводности чувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения. Существуют болометры металлические, полупроводниковые и сверхпроводящие.

Металлические болометры имеют светочувствительную площадку толщиной примерно 1 мкм в виде платиновой или золотой черни. При нагреве площадки на DТ изменяется ее сопротивление R на DR:

,

где и - температурный коэффициент сопротивления.

Металлические болометры обеспечивают неселективное поглощение в диапазоне от видимого спектра до 20 и более микрон и позволяют фиксировать DТ до 10^-7 град.

Сверхпроводящие болометры охлаждаются до температуры, при которой наблюдается сверхпроводимость. Например, тантал необходимо охладить для этой цели до 3,22-3,23 К, ниобий - до 9,2 K, сплав олова и ниобия - до 18 K. Такие чувствительные элементы помещают в сосуд Дьюара с жидким газом (гелий - 4,2 K, неон - 27 К, водород - 20 К). Температура чувствительного слоя должна поддерживаться с точностью приблизительно 0,00001 К, что исключает их применение вне лабораторных условий.

Полупроводниковые болометры или термисторы имеют значение на порядок больше, чем металлические.

Недостатком всех болометров инерционность, составляющая 20-40 мс.

Другим типом приемников являются фотонные детекторы. Явление возбуждения электронов под воздействием лучистой энергии называется фотоэлектрическим эффектом. Возбуждение квантами излучения электроны называются фотоэлектронами. Если фотоэлектроны при облучении остаются в веществе, участвуя в токе проводимости, то эффект называется внутренним, или эффектом фотопроводимости. В том случае, когда электроны не только возбуждаются, но и покидают вещество, возникает внешний фотоэффект, сопровождаемый внешней фотоэлектронной эмиссией.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - фотоприемник, преобразующий лучистую энергию в фотоэлектронную эмиссию с последующим многократным ее усилением. Наибольшей вторичной эмиссией обладают материалы, имеющие наименьшую работу выхода первичных электронов. К таким материалам относят цезий и его соединения.

Достоинства ФЭУ - высокий порог чувствительности (10^-18 Вт) и малая инерционность (t<1 нс).

В приемниках с внутренним фотоэффектом используют три основных явления, вызываемых излучением: фотопроводимость, фотогальванический и фотоэлектромагнитный эффект. Наибольшее применение в инфракрасных ГСН нашли фоторезисторы и фотодиоды.

Фоторезисторы - это приемники лучистой энергии, изменяющие свою проводимость (сопротивление) при воздействии лучистого потока. Фоторезисторы выполняются на основе кремния, легированного цинком или медью, или соединений индия, например, InSb (сплав индия и сурьмы).

Фотодиод - это фотогальванический приемник, обладающий свойством односторонней проводимости при воздействии лучистой энергии.

Принципиальные электрические схемы включения фоторезистора и фотодиода приведены на рис. 4.9, а и б соответственно.

а) б)

U_п U_п

R_т

U_вых U_вых

R_н R_н

Рис.4.9

Отметим, что неохлаждаемые приемники ИК ГСН обеспечивают прием излучения до l =1-1,5 мкм, охлаждаемые до 77 К захватывают более длинноволновую часть спектра, включая l =5,5 мкм, а приемники, охлаждаемые примерно до 20 К, позволяют принимать излучение в диапазоне до 15-20 мкм.

В классификации, приведенной на рис. 4.8, не показаны оптико-акустические приемники, преобразующие излучение в давление газа и, далее, давление газа в электрический сигнал (эти приемники представляют исторический интерес), и пироэлектрические приемники, использующие свойство некоторых кристаллов сегнетоэлектриков образовывать электрические заряды под воздействием теплового излучения.

Поток лучистой энергии на фотоприемник поступает постоянно или прерывисто. Для облегчения построения приемно-усилительного устройства используют искусственную модуляцию светового потока.

Внутреннее сопротивление приемника Rт - это сопротивление чувствительного элемента при отсутствии облучения. Знание Rт необходимо для правильного выбора входной цепи усилителя.