Характеристики, параметры и модели фотоприемников

Параметры фотоприемников

Важнейшим параметром фотоприемника является чув­ствительность. Этот параметр можно до определенной сте­пени считать аналогичным коэффициенту усиления в при­борах с электронной проводимостью. В общем случае чув­ствительность фотоприемника отражает изменение электри­ческого состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

Оптическое излучение может характеризоваться энерге­тическими и световыми параметрами. В со­ответствии с характеризующим параметром различают чув­ствительности фотоприемника к потоку излучения к световому потоку , к облученности и к освещен­ности .

В зависимости от измеряемого электрического парамет­ра на выходе фотоприемника различают токовую и вольто­вую чувствительности фотоприемника. Если измеряемой ве­личиной является фототек, то имеем токовую чувствитель­ность (S_I). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (S_V).

Примеры определения чувствительности фотоприемника приведены в выражениях

; ;

; , (5.3)

где – токовая чувствительность к световому потоку;

– токовая чувствительность к освещенности;

– вольтовая чувствительность к потоку излучения;

– вольтовая чувствительность к облученности.

Вообще говоря, чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина и зависит, в частности, от парамет­ров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия статической и динамической дифференциальной чувстви­тельности фотоприемника, при этом статическая чувстви­тельность определяется отношением постоянных значений измеряемых величин.

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохрома­тическую чувствительности фотоприемника к немонохрома­тическому излучению заданного спектрального состава. Мо­нохроматическая чувствительность – это чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хао­тический сигнал со случайной амплитудой и спектром – это шум фотоприемника. Источники шума могут быть по отношению к фотоприемнику как внутренними, так и вне­шними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В оптимально сконструиро­ванном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случайными (флюктуационными) процессами, и уровень шумов характеризуют веро­ятностными параметрами: математическим ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума - шумом в единичной полосе частот.

В фотоприемниках, наряду с обычными для полупровод­ников видами шумов (тепловым, дробовым и др.) добавля­ется также радиационный (фотонный шум), который опре­деляется флюктуациями оптического сигнала, попадающего на фотоприемник.

Обычно шум фотоприемника количественно характери­зуют током шума или напряжением шума. Под током шума I_ш понимают среднеквадратичное значение флюктуации то­ка, протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот. Напряжение шума - это среднеквадратичное зна­чение флюктуации напряжения на заданном сопротивлении нагрузки в цепи фотоприемника.

Связь чувствительности фотоприемника с шумами коли­чественно определяют пороговым потоком фотоприемника Ф_п, равным среднеквадратичному значению действующего на фотоприемник потока излучения, при котором средне­квадратичное значение фототока равно среднеквадратично­му значению тока шума. Таким образом, если на фотопри­емник действует некоторый поток излучения Ф, то на выхо­де фотоприемника появляются одновременно сигнал шума I_ш и полезный сигнал I_ф. Если поток излучения равен по­роговому потоку Ф_пор, то значения тока шума и фототока сравниваются, т. е. I_ш = I_ф при Ф = Ф_пор.

Так как шум зависит от полосы частот, в которой шум измеряется, то значение Ф_пор зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной полосе частот (Ф_пор1) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально - модулированного потока с задан­ным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот.

Уровень шумов фотоприемника зависит от площади фо­точувствительного элемента. Для характеристики этой за­висимости введен параметр Ф¢_пор1 - удельный пороговый поток фотоприемника

Ф¢_пор1 = Ф_пор1/S, (5.4)

где Ф_пор1 – порог в единичной полосе частот;

S – площадь фоточувствительного элемента фотоприемника.

Таким образом, удельный пороговый поток - это поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.