Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

тока излучения от максимума до минимума называется модуля­ цией. Частота, с которой поступают «порции» излучения на приемник, называется частотой модуляции и обозначается че­ рез /„.

Все приемники излучения с внутренним фотоэффектом неза­ висимо от принципа их действия и устройства можно охаракте­ ризовать рядом общих параметров и характеристик.

ПАРАМЕТРЫ

Параметр — это величина, единственное значение которой характеризует определенное свойство приемника. Параметр мо­ жет быть измерен непосредственно или вычислен по данным из­ мерений других величин. Основными параметрами приемников лучистой энергии являются:

—внутреннее сопротивление RT\

—постоянная времени (инерционность) т;

—уровень шумов и ш\

—интегральная чувствительность 5;

—порог чувствительности Фг;

—обнаружнтельная способность D* пли «нормированный» порог чувствительности.

Фотоэлектронные приемники характеризуются еще величиной

облучения.

Иногда для оценки приемников используют кратность изме­ нения сопротивления, которая равна отношению величины /?т к сопротивлению приемника при определенной освещенности и тем­ пературе 20+5° С. Величина сопротивления приемника опреде­ ляет требования к входной схеме усилителя сигналов, снимае­ мых с приемника.

От сопротивления слоя зависит уровень шумов приемника. Гемновое сопротивление у большинства полупроводниковых при­ емников нестабильно по времени и сильно изменяется в зависи­ мости от окружающих условий. Например, на рис. 4.17 показана зависимость темнового сопротивления сернистосвинцовых фото­ резисторов от температуры слоя. Из рисунка видно, что при ох­ лаждении слоя от комнатной температуры (293 К) до темпера­ туры твердой углекислоты (195 К) внутреннее сопротивление изменяется почти в 6 раз, а при охлаждении до температуры жидкого азота (77 К) 7?т увеличивается в 100 раз. Изменение Rr сильно сказывается на изменении сигнала, снимаемого с при­

емника.

Шу м ы п р и е мн и к о в . Если приемник подсоединить к ис­ точнику питания, то в цепи приемника, состоящей из последова­ тельно соединенных источника питания Un и приемника /?т, все­

118

гда будут существовать колебания (флюктуации) напряжения. Хаотические сигналы с переменной амплитудой и частотой, слу­ чайно возникающие в цепи приемника, называются шумами. Ве­ личина шумов оценивается обычно среднеквадратичным значени­ ем его амплитуды. Основными видами шумов являются следую­ щие.

Т е п л о в ы е шумы, которые вызываются хаотическим теп­ ловым движением свободных электронов. В результате такого движения число электронов, перемещающихся в одном направ­ лении, не равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении; разница создает на­

пряжение шума Ur. Величина теп­ ловых шумов может быть найдена по известной из электроники фор­ муле Найквиста

U, 4Ш ?тд /, (4. 20)

где k — постоянная Больцмана,

Т— температура слоя в граду­ сах Кельвина;

приемника при протекании темнового тока, возникающего вследствие теплового движения электронов и их рекомбинации с положительными носителями (дырками); на эти шумы накла­ дываются шумы контактов электродов. Напряжение токовых шумов Ui можно найти из соотношения

/ — частота настройки усилителя.

Зависимость £/,- от размеров чувствительного слоя определяется следующим соотношением:

119

этот вид шумов называют 1//-шумамн пли шумами, из­ меняющимися по зависимости 1//);

/— длина чувствительного слоя;

а— толщина слоя;

b — ширина слоя.

Большинство приемников обладает токовыми шумами или 1//-шумамп, которые тем больше, чем тоньше чувствительный слои. Это особенно важно для фоторезисторов, очень топкие слои которых изготовляют путем испарения исходного вещества в вакууме.

Р а д и а ц и о н н ы е ( фоновые ) ш у м ы i/ф появляются при изменении температуры приемника в результате теплообме­ на между приемником и окружающей средой (фоном). Теплооб­ мен пли изменение температуры приводит к появлению некото­ рого изменяющегося во времени излучения. Шумы, вызванные флюктуациями температурного излучения, пропорциональны из­ менениям потока

к— постоянная Больцмана;

а— постоянная Стефана — Больцмана;

Т— температура в градусах Кельвина;

Д/— интеграл рабочих частот.

Вразличных типах П1\-прпемников может преобладать тот пли иной вид шума. Так, например, у термоэлементов преобла­ дают тепловые шумы, у полупроводников болометров — тепло­ вые и токовые, у фоторезисторов — радиационные и токовые. При наличии различных компонент шума общее средиеквадратпческое значение величины шумов приемника приближенно мо­ жет быть вычислено по формуле

Для практического использования приемников важно знать не только среднее значение величины шумов, но также и распре­ деление их по частотам. На рис. 4.18 в соответствии с формулой (4.24) показана форма кривой изменения Um фоторезистора в зависимости от частоты /. Можно выделить три области спект­ ра шумов. На низких частотах до j\ преобладающими являются шумы, подчиняющиеся зависимости 1// (область /). Обычно гра­ ница /i лежит в пределах 1000 Гц. В области средних частот II преобладающими являются так называемые генерационно-реком­ бинационные шумы. Эти шумы возникают только в полупровод­ никовых приемниках вследствие изменения количества носителей зарядов (электронов и дырок) при движении и соединении их (рекомбинации) друг с другом. Этот вид шумов часто сливается

120

с токовыми шумами и переходит в тепловые шумы. На больших частотах (более десятков килогерц) преобладают тепловые шумы (область III).

Зная характеристику спектрального распределения шумов, можно выбрать такую частоту модуляции потока излучения или рабочую частоту усилителя, при которой значение собственных шумов приемника будет минимальным.

Если известна облученность приемника Е, то с учетом площа­ ди его чувствительного элемента уП и выражения (1.14) форму­ ла (4.26) примет вид

(4. 27)

ф-= 111 П

]21