Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf

меняется в зависимости от температуры. Следует иметь в виду, что различные составляющие шума фотосопротивлеиия, которые бзщут рассмотрены дальше, по-раз­ ному зависят от питающего напряжения, поэтому уве­ личение питающего напряжения целесообразно лишь до такой величины, начиная с которой составляющие

ставляющие шума уменьшаются с понижением тем­ пературы.

Частотные или временные характеристики. Постоян­ ная времени и, следовательно, диапазон рабочих частот фотосопротивлений определяются скоростями процессов накопления свободных носителей тока и их исчезновением после прекращения действия излучения. Для разных типов фотосопротивлений скорости этих процессов су­ щественно отличны. Постоянные времени рассматривае­ мых приемников меняются в диапазоне от ІО-4 до ІО-10 сек (см. табл. 7).

Шумовые характеристики. Шум фотосопротивления складывается из нескольких составляющих, вклад кото­ рых может меняться в зависимости от режима работы приемника [15, 18].

Фотонный шум обусловлен случайными флуктуациями потока фотонов, падающих на приемную площадку F из окружающей среды. Этот поток фотонов создается главным образом исследуемым сигналом, но, кроме того, могут иметь место составляющие, обусловленные посто­ ронними засветками приемного элемента. Если на прием­ ник попадает монохроматическое излучение частоты ѵ мощ­

38

ш’ где ^ — квантовая эффективность приемника.

На сопротивлении нагрузки R n будем иметь средний квадрат флуктуаций напряжения

S= U JP .

Температурный шум обусловлен случайными флук­ туациями температуры приемного элемента. Эти флук­ туации температуры вызывают флуктуации напряяшния па выходе приемника и соответственно на нагрузке при­ емника R„:

где R — сопротивление приемника, S' характеризует чувствительность приемника к преобразованию изме­

нения температуры в электрический сигнал, VР* ш— плот­ ность флуктуаций температуры, с — константа тепловых потерь приемника, С — теплоемкость приемника, А/ — полоса частот, ѵ — частота, которую можно принять равной частоте, соответствующей максимуму излучения абсолютно черного тела с температурой Т. В обычных

Джонсоновский шум обусловлен тепловыми флуктуа­ циями движения электронов в цепи приемника. Этот шум свойствен любым сопротивлениям. Он носит название также шума сопротивления, или шума Найквиста. Шум

30

дает на выходе приемника средний квадрат флуктуаций напряжения

где і? — сопротивление приемника. Как и в случае тем­ пературного шума, /іѵ//сГ<^1 и в обычных равновесных условиях

W l~ m=AkTRäf.

Для напряжения на нагрузке приемника имеем

AUI 4k T R l Д /.

Д

Генерационно-рекомбинационный шум обусловлен ста­ тистическими флуктуациями скоростей генерации и ре­ комбинации носителей тока. Генерационно-рекомбина­ ционный шум свойствен как равновесным носителям, так и фотоносителям, т. е. носителям тока, возникаю­ щим под действием излучения. Как для одних, так и для других носителей спектр генерационно-рекомбинацион­ ного шума белый до некоторых частот, связанных с ха­ рактерными временами жизни носителей тока /пред~ ^1/(2 ктг_р). Шумовое напряжение на выходе приемника с учетом

от одного электрода к другому. Эта составляющая шума зависит от напряжения U и именно с ней связано огра­ ничение увеличения чувствительности при увеличении питающего напряжения. На нагрузке приемника имеем.

40

На практике шум фотосопротивления превышает рас­ четные значения тепловых и генерационно-рекомбина­ ционных шумов, не говоря уже о фотонном шуме. Этот избыточный шум носит название «1//-шум», которое от­ ражает характерную для этого вида шума частотную за­ висимость. Окончательно природа этого шума не выяс­ нена. Можно предполагать, что в какой-то мере шум связан с явлениями в приповерхностных областях, с на­ личием барьеров, через которые течет ток. Шумовое напряжение на выходе приемника

&Uyf-Ш— —р г — 7

где а ~ 1, ß —•2, X — некоторая постоянная, / — ток через приемник, / — рабочая частота, U — напряжение

Ід(м£)

Рис. 8 . Частотпые характеристики шумов фотосопротивленпй.

питания приемника, R — сопротивление приемника. Как обычно, на нагрузке приемника имеем

XUVRl

ДІ7® /адЗ+2 •

Частотные характеристики шумов и их приблизительное соотношение для фотосопротивлений схематически изо­ бражены на рис. 8, где приведены зависимости логарифма шумового напряжения на выходе от логарифма частоты.

Значения детектирующей способности для фотосопро­ тивлений приведены в табл. 7.

Фотоэлементы с запирающим слоем. Полупроводни­ ковые приборы, в которых под действием излучения воз­ никает электродвижущая сила, называются вентильными

41

фотоэлементами, или фотоэлементами с запирающим слоем. При освещении такого фотоэлемента в цепи тенет ток без подачи внешнего напряжения. Величина тока зависит от падающей на приемник световой мощности, которая преобразуется элементом непосредственно в элек­ трическую. В вентильных фотоэлементах создаются ус­ ловия, приводящие к пространственному разделению возбужденных светом носителей тока разного знака и к перемещению их к разным электродам с образованием разности потенциалов между ними [41]. Укажем кратко характеристики приемников этого типа.

Спектральные характеристики. Вентильные фото­ элементы, как и все другие фотоэлектрические приемники, обладают значительной селективностью. Кроме того, об­ ласть длин волн, которую можно охватить с помощью приемников этого типа, значительно меньше со стороны длинных волн, чем у фотосопротивлений. Дело в том, что вентильные фотоэлементы работают в основном в об­ ласти собственного поглощения полупроводника. Об­ ласть примесного поглощения, в отличие от фотосопро­ тивлений, играет меньшую роль. В табл. 8 приведены спектральные и временные характеристики, чувстви­ тельность S фотоэлементов с запирающим слоем, опре­ деляемая отношением тока короткого замыкания / кз к ве­ личине светового потока Ф, и детектирующая способ­ ность D* [7, 10].

Световые характеристики фотоэлементов с запираю­ щим слоем линейны только в режиме короткого замыкания

Ряс. 9. Зависимости выходных сигиалов вентильного фотоэле­ мента от плотности мощности излучения: а) напряжение холостого хода; б) ток в цепи.

и в области не слишком больших световых потоков [7]. Схематическое изображение некоторых типичных зави-

42