Пиротехнические фотоприемники

В основу работы пиротехнических фотоприёмников (ПФП) положен пироэлектрический эффект кристаллов, сущность которого заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Поляризация кристалла – это пространственное разделение зарядов, при котором на одной из граней кристалла возникает положительный заряд, а на второй – отрицательный. Она происходит спонтанно при отсутствии внешнего электрического поля при постоянной температуре. Однако при постоянстве температуры поверхностные заряды компенсируются объёмной и поверхностной проводимостями кристалла и не могут быть обнаружены.

Поэтому пироэлектрический эффект проявляется только при наличии изменении температуры кристалла во времени. Этот эффект наблюдается при приёме модулированного или импульсного излучения.

Пироэлектрический ток при изменении температуры пироактивного кристалла можно определить по формуле:

(5.51)

где P_c – коэффициент спонтанной поляризации,

Т – температура,

γ – пироэлектрический коэффициент.

Если облучённый кристалл подключить к внешнему сопротивлению нагрузки и представить его как генератор тока, то можно определить интегральную чувствительность пирокристалла:

, (5.52)

где - площадь приёмной площадки фоточувствительного элемента,

α – коэффициент поглощения,

R_э - эквивалентное сопротивление нагрузки,

С_о - суммарная ёмкость кристалла и ёмкости нагрузки (входной ёмкости усилителя).

ω – круговая частота модуляции потока,

τ_Т = С/G – тепловая постоянная времени (отношение теплоёмкости кристалла С к коэффициенту теплопотерь G),

τ_э = R_э С_о – электрическая постоянная времени.

Решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приёмников оказывает значение пироэлектрического коэффициентa γ. Максимальное значение пироэлектрический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода (так называют точки Кюри). Большинство типов фотоприёмников, использующих внутренний фотоэффект, обладают избирательной чувствительностью. Тепловые же фотоприёмники, использующие пироэффект, обладают практически равномерной чувствительностью во всём рабочем диапазоне длин волн. Пиро-фотоприёмники типа МГ30, МГ32, разработанные НПП «Восток» (Новосибирск), работают в диапазоне от 2-х до 20-ти мкм.

Особенностью пироэлектрических приёмников излучения является то, что они, будучи, по существу, ёмкостными элементами, имеют очень большое внутреннее сопротивление (10¹⁰ – 10¹¹ Ом) и низкие выходные токи (10^-12 – 10^-13 А). Это создаёт значительные трудности при согласовании их со входными каскадами усилителей. Ко входным цепям усилительных устройств, работающих совместно с пироэлектрическими приёмниками, предъявляется ряд специфических требований: высокое входное сопротивление, малая входная ёмкость, низкий уровень собственных шумов.

Совокупности указанных требований удовлетворяют полевые транзисторы и усилители на их основе.

Принципиальная электрическая схема устройства, содержащего пироэлектрический элемент, подключённый к интегральному операционному усилителю с входным дифференциальным каскадом усиления на основе полевых транзисторов, приведена на рис. 5.27.

Основные параметры такого устройства определяются следующим образом:

Напряжение выходного сигнала:

, (5.53)

где τ_п = R_нC_п,,

R_н – сопротивление нагрузки пироэлектрического элемента,

C_п – собственная ёмкость пироэлектрического элемента,

τ_п – постоянная времени пироэлектрического элемента,

Φ – поток, воспринимаемый пироэлектрическим элементом.

Рис. 5.27. Схема устройства с пиро-фотоприемником

Напряжение шума, приведённое ко входу в единичной полосе частот:

(5.54)

где I_з – ток затвора входного полевого транзистора,

T – температура окружающей среды,

α – угол потерь пироэлектрического элемента,

K – постоянная Больцмана,

tg – тангенс,

ω – круговая частота,

e - заряд электрона

K_f – спектральная плотность напряжения шума входного транзистора усилителя на заданной частоте f.

В приведённой формуле первый член представляет собой составляющую теплового шума входного сопротивления, второй – составляющую дробового шума входного полевого транзистора, третий – составляющую шума пироэлектрического элемента, четвёртый – составляющую шума усилителя, приведённого ко входу.

В заключение рассмотрим перспективы развития разработки полупроводниковых фотоприемников (таблица 5.4).

Таблица 5.4 – Параметры полупроводниковых фотоприемников и фотоприемных матриц