Файл: Левитин И.Б. Инфракрасная техника.pdf

ФС-А при температурах 300 К (кривые /) и 100 К (кривые 2).

собой либо криостаты (различные конструктивные вари­ анты сосуда Дыоара с заливаемыми внутрь сжиженными газами), либо вихревые холодильники, основанные на

84

дросселировании вытекающей струи газа, в процессе ко­ торого часть энергии превращается в механическую работу благодаря вихревому движению струи, либо термоэлектри­ ческие холодильники, в которых используются эффекты Пельтье и Эттингсгаузена. Подробно такие устройства рассмотрены в специальной монографии Е. И. Антонова, В. Е. Ильина и др. [39], к которой и рекомендуется обра­ титься читателю.

Примером охлаждаемого фоторезистора может служить фоторезистор из монокристаллического германия с при­ месью Au (около 101й атомов/см3 ), конструкция которого показана на рис. 39. Чувствительный элемент 2 имеет форму стерженька, прикрепленного к холодопроводу из ковара (сплава Fe—Ni). Холодопровод из этого сплава имеет одинаковый со стеклом температурный коэффициент расширения и является частью внутренней оболочки со­ суда Дьюара /, в который заливается жидкий азот. Излу­ чение попадает на чувствительный элемент через окно 4 из монокристаллического Ge или Si, прозрачных в рабочей области спектра приемника. Внутри сосуда Дьюара создан вакуум ( Ю - 5 — Ю - 6 мм рт. ст.). Температура внешней оболочки комнатная. Чувствительный элемент 2 экраниро­ ван с боковых сторон металлическими стенками 3, темпе­ ратура которых равна температуре жидкого азота (77 К).

Пороговая чувствительность германиевых фоторезисто­

85

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

УСИЛЕНИЕ ТЕРМО- И ФОТОТОКОВ

18. Шумы в приемниках инфракрасных излучений

Наблюдаемые на выходе приемника излучений флук­ туации напряжения вызываются шумами, происхождение которых обязано как внутренним процессам в материале приемника, так и внешним воздействиям (помехам), прихо­ дящим из окружающего пространства.

Снижение уровня шумов является важнейшей задачей при выборе схем питания приемников излучения и усиле­ ния сигналов на их выходе. В этих целях происхождение шумов было подробно исследовано, и это дало возможность классифицировать шумы так, как это показано на схеме (рис. 40).

Рассмотрим кратко особенности каждого из видов шу­ мов.

Шумы фотореакции приемника. Эти шумы возникают из-за флуктуации падающего на приемник излучения или флуктуации параметров приемника.

1. Фотонный (радиационный) шум наблюдается у всех прием­ ников и вызывается фотонами, попадающими на чувствительный элемент приемника из окружающего пространства. Если на при­ емник падает из окружающей среды монохроматический лучистый поток Ф ѵ с частотой ѵ, то спектральная плотность мощности шума (мощность шумового сигнала, приходящаяся на единицу частот­

87

Шумы в приемниках инфракрасных излучений

GJ

О.

Рис. 40. Классификация шумов в приемниках инфракрасных из­ лучений

На выходе приемника квадрат среднего напряжения фотонного шума (Уф получается умножением Рф на квадрат коэффициента преобразования (интегральной чувствительности) этого прием­ ника S:

Спектральная чувствительность многих приемников инфра­ красных излучений охватывает широкую область длин волн, в ко­ торую входят и излучения тел при комнатной температуре. Поэ­ тому окружающая среда создает на входе таких приемников зна­ чительный фотонный шум, воздействующий на приемник так же,- как и полезный сигнал и в такой же мере преобразуемый прием­ ником.

2. Температурный шум вызывается флуктуациями темпера­ туры чувствительного элемента приемника, возникающими в про­ цессе теплообмена с окружающей средой. Этот шум наблюдается у всех приемников, но особенное значение имеет для тепловых при­

88

теплообмена с окружающей средой (а не только посредством излу­

туациями переходов носителей из заполненной зоны в зону прово­ димости, приводящих к рекомбинации или генерации носителей. Этот вид шума наблюдается только в полупроводниковых приемни­ ках; его интенсивность зависит от подвижности, концентрации и времени жизни носителей и повышается при увеличении напряже­

значительно превышать шум Джонсона. С целью уменьшения ге- нерационно-рекомбинационного шума (без изменения соотношения сигнал—шум) применяют глубокое охлаждение приемников; при

мам, у которых спектральная плотность мощности не зависит от частоты, т. е. равномерно распределена по всем частотам.

4. Тепловой шум (шум Джонсона) вызывается тепловыми флуктуациями электронов в электрической цепи приемника. Этот шум имеется у всех приемников; квадрат среднего напряжения шума Джонсона на выходе приемника выражается формулой Найквиста

Ѵ\ж = AkTR (П А/.

Здесь R (f) — активное сопротивление чувствительного элемента приемника, измеренное при частоте f; Д/j — ширина полосы пропу­

скания приемника.

Мощность «белого» шума (в частности, теплового шума) на вы­ ходе приемника пропорциональна Д^, что и видно из формулы Най­ квиста.

5. Дробовый шум вызывается флуктуациямп числа носителей тока, проходящих через поперечное сечение проводника (флуктуа-

89