Классификация и технические характеристики фотодетекторов

Все фотоприемники по принципу действия можно разделите на две большие группы: тепловые и фотонные. В свою очередь фотонные приемники подразделяют на фотодетекторы, основанные на:

а) внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи);

б) внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры» и т. п.).

Для определения технических возможностей конкретного фотоприемника используются следующие характеристики:

1. Спектральная(монохроматическая)чувствительность – мера реакции фотоприемника на оптическое излучение с длиной волны λ:

(1)

Для тепловых приемников S_λ не зависит от длины волны, а для фотонных приемников существует максимальная (пороговая) длина волны λ_m выше которой энергии фотона hω = hc / λ недостаточно для возникновения фотоэффекта.

На рис.1 представлены спектральные характеристики идеализированного теплового и фотонного приемников.

2. Интегральная чувствительность – мера реакции фотоприемника на световой поток Ф заданного спектрального состава:

(2)

Для идеального теплового приемника S=S_λ и не зависит от спектра Ф. Для фотонных приемников величина S зависит как от спектра фоточувствительности приемника, так и от спектра регистрируемого светового потока. Наиболее часто в качестве эталонного светового потока для определения S используют излучение абсолютно черного тела с заданной температурой или излучение эталонной лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Если температура нити накала равна 2850 К, то такой режим принято называть «режим А».

1–тепловые; 2-фотонные Рис.1

3. Минимально различимый сигнал Ф_min – та величина светового потока, измеряемая в [Вт ], которая на выходе фотоприемника создает сигнал, равный шуму. Так как интенсивность белого шума пропорциональна корню квадратному из полосы пропускания ∆f усилительного тракта, то вводят следующую характеристику.

4. Эквивалентная мощность шума NEP (Noise Equivalent Power) –

величина светового потока, которая на выходе фотоприемника в единичной полосе частот вызывает сигнал, равный шуму:

(3)

5. Обнаружительная способность D обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума:

(4)

Эта величина зависит от площади приемника А, так как шум

пропорционален A .

6. Детектирующая способность D*, называемая также нормированной обнаружительной способностью:

(5)

Это наиболее объективная и важная характеристика фотодетектора данного типа, поскольку она не зависит от его площади и полосы частот

усилителя.

7. Инерционность – способность фотоприемника без искажения регистрировать быстрые изменения интенсивности светового потока. Она характеризуется или граничной частотой f_mах, при которой чувствительность фотоприемника падает в заданное число раз (обычно в 2 или е раз), или постоянной времени τ.

Для детекторов зависимость чувствительности S или S_λ от частоты модуляции света f имеет вид:

(6)

Принцип действия тепловых фотоприемников основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры вследствие поглощения оптического излучения. Существуют различные типы тепловых фотоприемников , основанных на различных эффектах. Среди них наиболее распространены:

а) болометры, использующие изменение сопротивления тонкой металлической, полупроводниковой или сверхпроводящей пленки;

б) термоэлектрические детекторы типа термопар или термостолбиков, использующие эффект возникновения термоЭДС на контактах двух металлов; в) пироэлектрические приемники, основанные на пироэлектрическом эффекте в пироэлектрических, в том числе в ферроэлектрических кристаллах

вблизи температуры Кюри; г) оптико-акустические приемники (ОАП), называемые иногда

пневматическими ИК-детекторами или элементами Голея, использующие периодическое расширение и сжатие газа при его нагреве от промодулированного по амплитуде оптического излучения, поглощаемого тонкой мембраной.

Инерционность тепловых приемников велика (> 10 мс), а чувствительность сравнительно низка. Поэтому в системах передачи информации они не используются. Тепловые приемники применяются там, где необходимо обеспечить постоянство спектральной чувствительности, а также в далекой ИК-области спектра .

Фотонные приемники эффективно работают в той области спектра, где энергия фотона существенно превышает kT. В случае , когда тепловая энергия сравнима или превышает энергию фотона, тепловое возбуждение действует активнее оптического и эффективность фотонного приемника резко падает. Поэтому фотонные приемники, предназначенные для работы в области λ>=3мкм, как правило, требуют охлаждения тем более глубокого, чем больше рабочая длина волны.

Фотонные приемники, принцип действия которых основан на использовании внешнего или внутреннего фотоэффектов, обладают малой инерционностью, большой чувствительностью и высокой обнаружительной способностью. В ряде современных приборов достигнуты значения этих величин, близкие к своему теоретическому пределу. Поэтому в оптической

электронике применяются в основном фотонные приемники, на свойствах которых мы остановимся ниже.

Оптическую информацию, передаваемую или принимаемую в оптической электронике,можно разделить на два вида: 1) оптические сигналы, дискретные во времени и пространстве и 2) оптические образы или картины. Соответственно все фотоприемники можно разбить на две группы.

1. Дискретные, как правило, одноэлементные фотоприемники с малой рабочей площадью, предназначенные для приема коротких оптических импульсов, обладающие высокой спектральной чувствительностью S_λ в заданной области спектра, большой детектирующей способностью D* и малой инерционностью τ. Лучшим сочетанием параметров в этой группе приборов обладают фотодиоды, особенно p-i-n и лавинные фотодиоды.

2. Фотоприемники, предназначенные для восприятия световых образов. Как правило, это многоэлементные фотоприемники с самосканированием и высокой пространственной разрешающей способностью, обладающие хорошей чувствительностью в сравнительно широком спектральном интервале. Лучшими характеристиками из этой группы приемников обладают фоточувствительные приборы с зарядовой связью.