Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

элементы, которые обеспечивают быстрый разряд входной емко­ сти в том случае, если выходной сигнал превышает максим-аль- ный линейный уровень. В частности, схема, опубликованная в работе [34], уменьшает время восстановления от 50— 100 до 10 мкс. Увеличение шума незначительно и эквивалентно под­ ключению к входу внешней емкости около 2 пФ.

Схемные решения, представляющие меньший интерес, при­ ведены в работах [5, 35—39]. Некоторые особенности, харак­ терные для предусилителей сигналов р—i—/г-детекторов, рас­ смотрены в работе [40].

Для детекторов со значительными обратными токами в неко­ торых случаях можно использовать головные каскады на бипо­ лярных транзисторах. Однако они не дают никаких преиму­ ществ, если полевые транзисторы рассчитаны на рабочую ча­ стоту примерно 100 МГц.

§2.3. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ГОЛОВНЫХ КАСКАДОВ ПРЕДУСИЛИТЕЛЕЙ

Входная цепь предусилителей содержит, как правило, три элемента: ППД, резистор Rf и полевой транзистор. Рассмот­ рим основные источники шума и оценим их вклад в ширину аппаратурной кривой.

Шум ППД. Как было показано в гл. 1, шум ППД опреде­ ляется следующими факторами: диффузионным током /Дф, ге­ нерационно-рекомбинационным током /Гр, током поверхностной

мента обратной связи или нагрузочного сопротивления детекто­ ра. Помимо теплового шума 4kTR эти резисторы имеют ряд не­ достатков, ограничивающих энергетическое разрешение спект­ рометра при низких энергиях: 1 ) частотная зависимость сопро­ тивления резистора, обусловленная механизмом проводимости материалов с высоким удельным сопротивлением; 2 ) неоднород­ ность проводящего слоя; 3) зависимость пассивного импеданса от напряжения, особенно заметная при малых значениях раз­ ности потенциалов (0,05-М В), приложенной к резистору; 4) распределенная емкость, определяемая габаритными разме­ рами высокоомных резисторов; 5) неповторяющиеся изменения номинала. Эти эффекты приводят к появлению дополнительных источников шума и при больших скоростях счета ухудшают ха­ рактеристики формирующих цепей, нарушая, в частности, ра­ боту цепи «компенсации полюса нулем».

Некоторые характеристики высокоомных резисторов, подан­ ным работы [41], показаны на рис. 2.6. Кривая 1 соответствует наименьшей степени зависимости сопротивления высокоомного

79

резистора с металлоокисным проводящим слоем от частоты. Кривая 2 характерна для резистора того же типа с неоднород­ ным слоем. Эти резисторы часто имеют значительную зависи­ мость номинала от разности потенциалов, приложенной к их выводам. Кривая 3 типична для резисторов с угольным прово­ дящим слоем. Значительные шумы резисторов данного типа обусловлены флуктуацией проводимости в месте соприкосио-

Рис. 2.6. Зависимость импеданса резисто­ ра R j от частоты:

вения отдельных зерен и значительными диэлектрическими потерями. Их сопротивление при охлаждении до 77 К обычно удваивается.

Резисторы типа 1 наиболее предпочтительны для применения в ннзкошумящих головных каскадах. Но и они обладают недо­ статками, обусловленными, во-первых, значительными размера­ ми и, во-вторых, возможностью их разрушения при охлажде­ нии до низких температур. Экспериментально можно отобрать резисторы, обеспечивающие выполнение указанных требований.

AESi~50 эВ для постоянной формирования 2 мкс. Распределенная емкость резистора уменьшает его импеданс

на высоких частотах. Поэтому резистор обратной связи нельзя располагать вблизи металлических конструкций.

Шум диэлектрических потерь. Такие диэлектрики, как сап­ фир, фторопласт, кварц, стекло и г. п„ используются для изо­ ляции ППД от хладопровода, монтажа резистора R, и поле­ вого транзистора. Даже в тщательно разработанных предусили­ телях диэлектрические потери неизбежны в элементах конст­ рукции, находящихся вблизи входной цепи или непосредствен­ но контактирующих с ней.

80

Экспериментально найдено [41], что проводимость потерь диэлектрика генерирует тепловой шум, который на частоте f характеризуется спектральной плотностью мощности шума, рав­ ной

4(со) = AkTG (со) df,

где 'G(o)) — зависимость сопротивления потерь от частоты f.

Ток гд(о)) на емкости Свх конвертируется в шумовое напря­ жение

где D — константа, определяемая свойствами диэлектрика. Ча­ стотная зависимость G(со) обычно линейная (G(co)~to), так что источник диэлектрических потерь генерирует шум со спект­

ральной плотностью (Уд(о)), обратно пропорциональный квад­ рату входной емкости Св х 2 и частоте f.

Вклад в шумовую ширину линии этого источника можно вы­ числить из формул, приведенных в табл. 2 . 1 для расчета избы­ точных шумов полевого транзистора, в которых Af/f следует

заменить членом Uд(со). Легко увидеть, что результат не за­ висит от Спх и постоянной формирования Тф. Это значит, что шум диэлектрических потерь относится к той категории, влия­ ние которой нельзя уменьшить действием последующих форми­ рующих устройств и уменьшением Спх (имеется в виду CR— /?С-формирование). Другие фильтры также не перспективны в. этом случае. Следовательно, шум диэлектрических потерь мо­ жет служить главной помехой в устройствах, рассчитанных на высокое энергетическое разрешение. В то же время, как следует из формулы (2.9), влияние этого компонента уменьшается как

У ? .

Шум полевых транзисторов. Полевой транзистор обычно ха­ рактеризуется двухгенераториой схемой — последовательным источником шумового напряжения и параллельным генерато­ ром тока. Первый компонент, обусловленный тепловым шумом,

81