Основные виды приемников излучения, применяемых в оптико-электронных приборах

Рассмотрим краткую сравнительную характеристику основных групп и видов ПИ, наиболее широко используемых в оптико-электронном приборостроении, имея в виду, что подробному изложению физических принципов их работы, особенностей схем включения и других вопросов посвящена многочисленная литература [9, 16, 20, 24, 30, 35].

Фотоэмиссионные приемники (с внешним фотоэлектрическим эффектом). К этим приемникам относятся:

- - вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ)

- - фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

В основе внешнего фотоэлектрического эффекта лежит эмиссия фотоэлектронов под действием падающего излучения. Эмитируемые электроны под действием приложенного напряжения, создающего ускоряющее поле, направляются от эмиттера-катода к аноду, образуя во внешней цепи ток.

Характеристики некоторых часто встречающихся на практике фотокатодов приведены в табл. 6.1.

Параметры современных ПИ этого класса позволяют применять их как для регистрации чрезвычайно малых световых потоков (10^-13...10^-14 лм), так и для приема очень мощных излучений. Спектральные характеристики ФЭ и ФЭУ определяются типом фотокатода, и их постоянная времени обычно не превышает 10^-9 с. Токовая чувствительность ФЭУ зависит от числа каскадов умножения и напряжения питания и может достигать нескольких десятков ампер на люмен. При этом важно отметить относительно большой линейный участок световых характеристик ФЭУ. Линейная зависимость выходного тока от освещенности на фотокатоде иногда сохраняется при освещенности более 10³ лк.

Недостатки ФЭУ:

- - необходимость иметь высокое стабилизированное питающее напряжение (сотни и тысячи вольт);

- - возможность потери эмиссионной способности некоторых типов ФЭУ при освещении значительными световыми потоками;

-- сравнительную сложность схемы включения;

-- шумы фотоэмиссионных ПИ зависят главным образом от дробового шума и низкочастотного фликкер-эффекта (эффекта мерцания). Для ФЭУ следует также учитывать шум, обусловленный вторичной эмиссией, и шум в нагрузке.

У фотоэмиссионных ПИ можно наблюдать весьма значительную неравномерность чувствительности по площади фотокатода. Основным методом борьбы с ней является создание оптической схемы прибора, при которой фотокатод облучается не в маленькой зоне, а по всей площади, т.е. применение конденсоров.

Фоторезисторы. В основе работы фоторезисторов (рис. 6.3) лежит изменение электропроводности чувствительного слоя при облучении. Помимо полезного сигнала, поступающего обычно на фоторезистор в виде модулированного потока, часто имеется и посторонний мешающий фон. Наличие последнего вызывает уменьшение сопротивления R_ф слоя и при отсутствии сигнала, что необходимо учитывать при выборе значения R_н.

Задача оптимального выбора параметров цепи включения облегчается, если известны энергетические и фоновые характеристики приемника. Иногда более целесообразно использовать зависимость изменения сопротивления приемника от освещенности, т.е. R_ф=f (E). Эта характеристика позволяет выбрать сопротивление нагрузки R_н, находящееся оптимальном соотношении с сопротивлением приемника R_ф при различных освещенностях чувствительного слоя.

Рис. 6.3. Типовая схема включения фоторезистора

Значения интегральной и вольтовой чувствительности, измеренные при отсутствии постоянного фона, будут отличаться от значений, полученных при наличии фона. При этом меняется и уровень шума на выходе фоторезистора. В этих условиях пороговый поток также изменяется.

У многих типов фоторезисторов при достижении определенного значения U_n наступает резкое увеличение уровня шума при сравнительно небольшом нарастании сигнала. Это значение обычно не превышает нескольких десятков вольт, в редких случаях (например, для некоторых сернисто-кадмиевых фоторезисторов) — нескольких сотен вольт.

Нужно отметить, что наиболее чувствительные фоторезисторы оказываются и наиболее инерционными. Для ряда ПИ установлена прямая связь между порогом чувствительности F_П и постоянной времени t вида F_П t»const.

Допустимая мощность рассеяния фоторезисторов зависит от материала чувствительного слоя, а также от режима облучения. При непрерывном облучении эта мощность находится в пределах от сотых до десятых долей ватта, при импульсном облучении она достигает единиц ватт.

К числу основных шумов, определяющих порог чувствительности фоторезисторов, относятся тепловой и токовый шумы. Предел уменьшения порогового потока ограничивается радиационным шумом.

Отметим такие достоинства фоторезисторов, как малые размеры и массу, пониженное по сравнению с фотоэмиссионными приемниками напряжение питания, возможность работы в значительно более широком спектральном диапазоне. Ряд фоторезисторов имеет очень высокую интегральную чувствительность, мощность их рассеяния достаточна для управления электрической цепью мощностью в несколько ватт.

Недостатки фотоприемников этого класса:

- - повышенная инерционность;

- - значительная зависимость характеристик и параметров от температуры;

- - малая линейная зона энергетической характеристики;

- - зависимость выходного сигнала от площади засветки чувствительного слоя.

Типовые параметры некоторых фоторезисторов приведены в табл. 6.2. Сведения о других параметрах и характеристиках фоторезисторов, в частности, об их конструктивных размерах, форме и размерах чувствительного слоя, питающих напряжениях и др., приведены в работах

Примечание. В квадратных скобках в столбце значений F^*_Пlmax указаны частота модуляции потока и угловое поле ПИ, а в столбце значений s_инт — температура источника в Кельвинах, по которому калибровался ПИ, и частота модуляции потока

Фотодиоды и фототранзисторы.Фотодиодом принято называть полупроводниковый ПИ, основанный на использовании односторонней проводимости p-n-перехода, при освещении которого или образуется ЭДС (фотогальванический, или вентильный режим — рис. 6.4, a), или при наличии источника питания в цепи фотодиода изменяется его обратный ток (фотодиодный режим — рис. 6.4, б).

Рис. 6.4. Схемы включения фотодиодов в фотогальваническом (а) и фотодиодном (б) режимах

Фотодиоды изготовляют на основе:

· · одного p-n-перехода, сформированного на границе двух областей из одного материала с соответствующими примесями противоположного типа;

· · гетероперехода, образующегося на границе двух областей различных материалов с примесями противоположного типа;

· · контактного барьера, возникающего на границе металл — n- полупроводник и металл — p-полупроводник;

различных МДП-структур (барьера Шоттки) и ряда других схем [9, 12, 22, 30].В настоящее время основными материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, а также сурьмянистый индий и арсенид галлия.

Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды. В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют существенные преимущества перед германиевыми. Темновой ток кремниевых приемников почти постоянен, а темновой ток германиевых фотодиодов при изменении температуры от 20 до 50°С может изменяться в 3...5 раз.

Другим достоинством кремниевых фотодиодов является возможность работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), что недопустимо для германиевых фотодиодов.

Постоянная времени фотодиода в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Для сплавных фотодиодов значение t обычно близко к 10^-5 с; для диффузионных фотодиодов при маленьких площадках t может достигать 10^-6 с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть t=10^-10с.

Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке p-i-n-фотодиодов [9]. Типичный p-i-n-фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной n-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (i-область) и сильно легированной p-области. В результате освобождения i-области от носителей под воздействием обратного смещения в ней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в i- и n-областях и образует электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются полем и покидают i-область, а пары, возникающие в n-области, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным ускоряющим электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в n-области.

При площади чувствительного слоя около 100 мм² кремниевые p-i-n-фотодиоды обладают чувствительностью 0,015 А×Вт^-1 при l=0,4мкм и временным разрешением 5 нс. При приеме излучения с l=0,9мкм и напряжении смещения U_см=1000В их чувствительность составляет 0,53 А×Вт^-1, а темновой ток I_т£20 мкА при U_см=700 В и I_т£5 мкА при U_см=300 В. Световые характеристики этих диодов при U_см=100...1000 В линейны до значений фототоков в 6 А.

В фотодиодах усиление тока можно получить умножением числа носителей. На этом принципе основаны лавинные фотодиоды [9], в которых при обратном напряжении, равном или близком к пробивному, в области p-n-перехода подвижные носители приобретают столь высокие скорости, что вызывают ионизацию атомов решетки, т. е. образуют новые электронно-дырочные пары. Это же ускорение действует и на носители, появившиеся в области p-n-перехода при его освещении. Для обеспечения стабильности коэффициента усиления фототока необходимо очень тщательно стабилизировать питающее напряжение и температуру, что усложняет использование лавинных фотодиодов. Эти ПИ используют для приема слабых сигналов, в основном при лазерной локации. Их постоянная времени составляет 10^-8...10^-9 с при коэффициенте внутреннего усиления до 10⁴ и рабочем напряжении 30...100 В.

Среди других полупроводниковых ПИ, созданных за последнее время, можно отметить фотодиоды с барьером Шоттки, характеризующиеся сравнительно простой технологией изготовления, параметры которых близки к параметрам p-i-n-фотодиодов, а также гетерофотодиоды [9].

Сравнительно большие темновые токи при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме делают невозможным их использование для измерения малых потоков. В этом случае необходимо работать в фотогальваническом режиме, при котором обнаружительная способность системы определяется практически не весьма малыми шумами приемника, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев.

Наибольшее влияние на обнаружительную способность фотодиодов оказывают дробовый, тепловой (электрического сопротивления базы), а также токовый шумы.

Фототранзисторы — это обладающие свойством усиления фототока ПИ с двумя p-n-переходами, в которых происходит направленное движение носителей тока.

Фототранзисторы имеют высокий квантовый выход (около 100). Однако наличие второго p-n-перехода приводит к значительному увеличению шумов, поэтому часто предпочитают использовать фотодиоды, добавляя дополнительный каскад в усилитель сигнала, шум которого меньше влияет на обнаружительную способность прибора по сравнению с шумом, возникающим при использовании фототранзистора. Основными видами шумов в фототранзисторах являются тепловой и дробовый шумы.

К недостаткам фототранзисторов относятся: значительная нестабильность параметров и характеристик во времени и при изменении температуры окружающей среды; меньшая, чем у фотодиодов, обнаружительная способность. У ряда фототранзисторов в центре чувствительного слоя вследствие затенения эмиттером части базы имеется «слепое пятно». Поэтому при их использовании совершенно необходимо распределять поток по всей чувствительной поверхности фотослоя, т. е. применять конденсоры.

Параметры некоторых отечественных фотодиодов и фототранзисторов приведены в табл. 6.3.

Тепловые (неселективные) приемники излучения. Принцип работы термоэлементов основан на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы (термоЭДС) в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников (рис. 6.5), при условии, что между двумя их спаями имеется разность температур, т.е. контактные разности потенциалов на каждом спае различны.

В качестве материалов для металлических термоэлементов используют сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур, константан, хромель и различные сплавы этих веществ, а для полупроводниковых — сурьму, кремний, теллур, селен. Данные об их термоэлектрических свойствах приведены в литературе [9, 22].

Рис. 6.5. Принципиальная схема включения термоэлемента

Обычно сопротивление термоэлемента очень мало (не выше десятков омов), что обуславливает необходимость применения трансформаторного входа в качестве согласующего звена между ПИ и усилителем, а это усложняет конструкцию прибора. К недостаткам термоэлементов следует также отнести их большую инерционность (постоянная времени составляет десятки и сотни миллисекунд).

Принцип работы болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительной площадки под действием падающего на него потока излучения. Относительное изменение сопротивления болометра при изменении его температуры на DT в случае, если DR_б <<R_б, можно представить уравнением

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) b_т для большинства металлов в широком диапазоне температур обратно пропорционален температуре, т.е. b_т=1/T, а для большинства полупроводников b_т=-3000/T². Важно отметить различные знаки изменения сопротивления полупроводниковых и металлических болометров.

Простейшая схема включения болометра аналогична схеме включения фоторезистора. Болометр обычно включают по мостовой схеме (рис. 6.6), которая питается постоянным или переменным током. Влияние окружающей температуры может вызвать нежелательный разбаланс моста, поэтому в качестве уравновешивающего элемента схемы часто применяют также болометр, называемый компенсационным. При изменении внешних условий оба болометра в одинаковой степени изменяют свое сопротивление, в результате чего равновесие моста сохраняется. Поток от излучателя попадает только на один болометр, что вызывает разбаланс моста.

Рис. 6.6. Принципиальная схема включения болометра

Основными шумами для термоэлементов и болометров являются фоновый и тепловой.

Конструкция ряда болометров описана в литературе [9, 22, 24]. В табл. 6.4 приведены параметры типовых приемников этого класса.

В пироэлектрических ПИ при малейших изменениях температуры приемника — сегнетоэлектрика с постоянной электрической поляризацией, эта поляризация заметно изменяется, что ведет к изменению разности потенциалов на выходах приемника. В отличие от болометров пироэлектрические ПИ являются емкостными, а не резисторными, т.е. их полное сопротивление уменьшается с ростом частоты модуляции падающего на них излучения. Поэтому они позволяют получить очень широкую и равномерную частотную характеристику.

Частотная характеристика пироэлектрического ПИ зависит от двух факторов: скорости теплового процесса и электрической схемы включения приемника. Подбором активной нагрузки R_н в цепи включения пироэлектрического ПИ частотную характеристику можно сделать равномерной вплоть до очень высоких частот (до 10⁷ Гц и выше). При R_н=1000 МОм спад характеристики наблюдается при 300 Гц, а при R_н = 100 кОм — при 3×10⁶ Гц, но в последнем случае пороговый поток приемника увеличивается примерно в 10⁴ раз [22].

Оценивая всю группу неселективных ПИ, можно отметить, что на тех участках спектра, где могут работать фотоэлектрические ПИ, тепловые ПИ вследствие их инерционности, худших эксплуатационных и некоторых других параметров применять нецелесообразно. Однако в длинноволновом ИК диапазоне спектра они пока еще широко используются для обнаружения и измерения потока излучения.

Иногда в отдельную группу выделяют многоцветные ПИ, работающие в двух спектральных диапазонах или более. Сегодня известны двухцветные ПИ, в которых коротковолновый приемник расположен над длинноволновым и является для последующего фильтром, отсекающим коротковолновую часть падающего излучения.

Такие приемники работают в следующих диапазонах:

0,3...1,15 и 1,15...5,2 мкм (PbSe и PbS);

0,4...1,8 и 4...4,8 мкм (Ge и InSb);

3...5 и 8...14 мкм (InSb и PbSnTe).

На базе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe созданы как двухцветные, так и трехцветные приемники [9].

Помимо рассмотренных выше ПИ в некоторых современных ОЭП иногда используют приемники, основанные и на других физических эффектах (ПИ с СВЧ-смещением, оптико-акустические и т. п.), нашедшие пока ограниченное применение. Сведения о них можно найти в [9, 12, 22, 30 и др.].

6.6. Одноэлементные координатные (позиционно-чувствительные) и развертывающие приемники излучения

По физическому принципу работы координатные ПИ можно разделить на две большие группы:

1. 1. одноэлементные (с непрерывной структурой чувствительного слоя), в которых обычно осуществляется аналоговая обработка оптических сигналов;

2. 2. многоэлементные (с дискретной структурой чувствительного слоя) с цифровой обработкой сигналов.

Для описания свойств координатных (позиционно-чувствительных) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координаты изображения на чувствительной поверхности ПИ, помимо параметров и характеристик, рассмотренных § 6.2 и § 6.3, используют и некоторые другие. Важнейшей из них является координатная (статическая, пеленгационная) характеристика — зависимость информативного параметра выходного сигнала (чаще всего амплитуды) от координаты изображения.

Параметрами таких ПИ являются:

- - линейная зона координатной характеристики;

- - крутизна характеристики;

- - координата нулевой точки, в которой выходной сигнал равен нулю.

Нужно отметить, что первые два параметра могут изменяться в зависимости от уровня входного сигнала и закона распределения освещенности в изображении.

Большое значение имеет стабильность параметров координатных ПИ (КПИ) при изменении внешних условий, особенно температуры, так как изменение крутизны координатной характеристики или дрейф нулевой точки могут привести к значительным погрешностям в измерении положения изображения, перемещающегося по чувствительному слою ПИ. Минимальное перемещение изображения (разрешающая способность), регистрируемое КПИ, зависит от уровня его шумов, которые у ряда КПИ такие же, как и у обычных ПИ.