4.3. Фотонные ОЭИП

Основой фотоэлектрического принципа измерительного преобразования энергетических параметров оптического излучения является поглощение фо­тона, сопровождаемое электрически регистрируемым переходом носителей заряда на более высокие энергетические уровни. В качестве ПИП используются фотоприемники (ФП), которые обычно делят на две группы: с внешним и с внутренним фотоэффектом. Речь идет в обоих случаях о прямом взаи­модействии квантов излучения с электронами, поэтому ФП такого типа на­зывают еще квантовыми. Выходной электрический сигнал таких ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.

Общее выражение для характеристики преобразования входного оптиче­ского сигнала в выходной электрический сигнал можно записать в следующем виде:

где — полный ток, протекающий через ФП, [А];  — ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, [А];  — темновой ток, [A];  — спектральный коэффициент преобразования или абсолютная спектральная чувствительность ФП, [А/Вт]; Ρ — мощность падающего на ФП излуче­ния, [Вт].

ФП как ПИП в приборах оптической радиометрии требуют детального исследования ряда свойств и характеристик, учитывающих их работу в ре­альных условиях. Основными характеристиками ФП являются спектральный диапазон, К_пр, динамический диапазон, быстродействие, шумовые свойства, стабильность К_пр, зависимость К_пр от угла падения потока излучения, ЗХ.

Рассмотрим существующие ФП с точки зрения возможности их примене­ния в качестве ПИП в измерительной технике в области оптической радио­метрии.

К фотонным ФП, основанным на внешнем фотоэффекте, относятся фо­тоэмиссионные приборы, а к основанным на внутреннем фотоэффекте — фотоэлектрические полупроводниковые ФП и ФП с р-n-переходами. Особую группу составляют фотомагнитные ФП, пока не применяемые в оптической радиометрии.

К фотоэмиссионным ФП относятся фотоэлементы (ФЭ), фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП), теле­визионные трубки и СВЧ-ФП [27]. Применительно к задачам оптической радиометрии нас в дальнейшем будут интересовать лишь ФЭ и ФЭУ, причем, в основном, последние.

К фотоэлектрическим полупроводниковым 'ФП относятся приборы на халькогенидах свинца, на тройных соединениях, на примесных полупроводни­ках, приборы с зарядовой связью (ПЗС), приемники с фотонным увлечением, приборы на основе структуры металл-окисел-металл, электронные боломет­ры. Преимущественное применение в задачах оптической радиометрии, да и то в основном в последние десятилетия, получили ФП на ПЗС-структурах.

Чаще всего для решения задач оптической радиометрии применяют ФП на p-n-переходах: фотодиоды (ФД), фотогальванические ФП и фототриоды. Все возрастающий интерес проявляется к лавинным фотодиодам, принцип действия которых основан на явлении ударной ионизации в сильном электри­ческом поле.

4. 3. 1. Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта. Спек­тральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. Вы­пускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон от УФ до ближнего ИК излучения.

Типовые спектральные характеристики (СХ) промышленных фотокато­дов представлены в табл. 4. 1 [26].

Наиболее широко распространены приборы с сурьмяно-цезиевыми, муль-тищелочными и серебряно-кислородно-цезиевыми фотокатодами. Коротко­волновая граница чувствительности зависит главным образом от прозрач­ности входного окна прибора, длинноволновая — от материала фотокатода и определяется работой выхода электронов. Для расширения спектрального диапазона вакуумных ФП в длинноволновую область разработаны фотокато­ды на двойных и тройных соединениях (например, GaAs, InAsP и др. )

 

Таблица 4. 1. Спектральные характеристики фотокатодов

Одну из основных метрологических характеристик ФЭ — абсолютную спектральную характеристику (АСХ) преобразования — для  {h — постоянная Планка,  — частота излучения) можно представить следующим образом:

,

где  — эффективный KB; λ — длина волны излучения, мкм.

Абсолютный коэффициент преобразования ФЭ в максимуме СХ 10^-3-10^-1 ) мА/Вт и меняется в зависимости от типа и конструкции прибора.

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразова­ния оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний — вли­янием пространственного заряда, продольного сопротивления фотокатода, его «утомлением». В режиме непрерывного облучения нижний предел может Достигать10^-14 А, верхний не превышает 10^-4 А. В импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер.

Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптических сигналов. В таких случаях следует использовать другие типы Φ Π с большей чувствительностью. Временные параметры ФП в им­пульсном режиме обычно описываются параметрами импульсной (длитель­ность импульса) и переходной (время нарастания фронта) характеристик. Для линейных систем эти характеристики однозначно связаны известными соотношениями, и измерение одной из них позволяет точно определить остальные.

Однако реальный ФП в силу внутренних нелинейных эффектов нельзя считать идеальной линейной системой, и поэтому выбор того или иного па­раметра, характеризующего быстродействие, определяется конкретным при­менением ФП. Временные характеристики ФЭ, предназначенных для изме­рений в полосе частот до нескольких гигагерц, определяются следующими параметрами: временем  пролета фотоэлектронов от фотокатода к аноду; дисперсией  фотоэлектронов по времени пролета до анода за счет радиаль­ных начальных скоростей и углового распределения выхода из фотокатода; временем  вытекания заряда, образовавшегося на фотокатоде; инерционно­стью внешнего фотоэффекта .

Оценку быстродействия (времени нарастания сигнала) ФЭ можно полу­чить из выражения

По опубликованным данным длительность фотоэмиссии  меньше 10^-12 с, а время пролета от катода к аноду  определяется расстоянием между элек­тродами и приложенным напряжением и также может быть меньше 10^-12 с. Таким образом, быстродействие ФЭ ограничено в основном разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду и переходными процессами в кон­туре фотоэлемент — нагрузка.

Сильноточные временные ФЭ благодаря коаксиальной конструкции поз­воляют получать время нарастания переходной характеристики (между уров­нями 0, 1 и 0, 9 от максимального значения) порядка 10^-10 с.

Исследования стабильности  для вакуумных ФП обычно сводятся к изучению процессов «старения» и «утомления»» и их влияния на этот па­раметр. Вопросы, связанные с кратковременной стабильностью (в течение времени, необходимого для проведения измерения энергетических парамет­ров, обычно от нескольких минут до 1-2 ч), практически не рассматриваются. Поэтому при подготовке к измерениям энергетических параметров излучения с помощью ФЭ необходимо проводить исследования стабильности  ФЭ индивидуально.

При построении СИ энергетических параметров лазерного излучения сле­дует также учитывать зависимости  от угла падения и расходимости излучения, а также от ЗХ.

Зависимость  от угла падения и расходимости излучения объясняется, во-первых, соответствующими вариациями коэффициента отражения вход­ного окна приборов, во-вторых неодинаковой глубиной проникновения излу­чения в фотокатод. Зонная характеристика определяется неоднородностями материала фотокатода. Количественных данных о ЗХ и ее зависимости от угла падения и расходимости потока излучения для ФП практически нет; поэтому возникает необходимость индивидуального их исследования.

ФЭУ обладают высоким значением , благодаря наличию умножительной (динодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го динода , коэффициент сбора электронов , m — число каскадов усиления, то коэффициент усиления ФЭУ

,

а абсолютная спектральная характеристика преобразования ФЭУ

,

Где — абсолютная спектральная характеристика преобразования фотока­тода ФЭУ, определяемая аналогично спектральной характеристике ФЭ.

Коэффициент преобразования ФЭУ может достигать ~10⁵ А/Вт в макси­муме спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных — до единиц ампер.

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увели­чить диапазон линейности ФЭУ в область больших потоков, частично исполь­зуя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ. Темновой ток ФЭУ (так же, как и ФЭ) принципиально не может быть исключен, его минимальное значение определяется термоэлектронной эмис­сией фотокатода, усиленной динодной системой. При среднем коэффициенте усиления 10⁶ и площади фотокатода 1 см², темновой ток ФЭУ составляет (10^-11-10^-5) А. Подбором конструкции ФЭУ и напряжения питания темновой ток можно свести к минимуму. Темновой ток и фототок ФЭУ подвержены флуктуациям вокруг среднего значения. Флуктуации анодного тока ФЭУ определяют минимальное значение потока излучения, которое может быть измерено при помощи ФЭУ.

На уровень шума анодного тока ФЭУ влияет много факторов, в зависимо­сти от конструкции прибора и условий его применения. Поэтому при исполь­зовании ФЭУ в СИ малых потоков излучения необходимо исследовать его шу­мовые характеристики в рабочих условиях. Инерционность ФЭУ определяют его четыре основные узла: катодная камера ( ), входной каскад электронного умножителя ( ), многокаскадный усилитель тока ( ) и выходной каскад . Время нарастания сигнала ФЭУ может быть выражено следующим образом:

.

Временное разрешение катодной камеры определяется, главным образом, как и у ФЭ, разбросом времен пролета электронов от катода к первому, диноду. Временные свойства входной камеры и многокаскадного усилителя, в основном, определяются разбросом времен пролета электронов в динодной системе. Быстродействие современных ФЭУ составляет (30-1) не.

Вопросы исследования стабильности К_пр ФЭУ обычно сводятся так же, как и для ФЭ, к изучению процессов «старения» и «утомления». Кратковременная стабильность Кпр за время, необходимое для измерения энерге­тических параметров, изучена слабо. Для некоторых типов ФЭУ при отборе лучших образцов удается достичь нестабильности ~ 1 % в импульсном ре­жиме. Зонная характеристика и Кпр определяются теми же факторами, что и для ФЭ.

Обычно разность потенциалов между анодом и катодом равна 1-2 кВ, и при десяти динодах падение напряжения между соседними динодами равно 100-200 В. Этого достаточно, чтобы обеспечить большое усиление и быст­родействие порядка наносекунд. В зависимости от требуемых параметров и назначения современные ФЭУ могут иметь различные взаимные расположе­ния и конструкции динодов: круглой сетки, коробчато-сетчатого, с линейной фокусировкой, типа «венецианского стекла», тонкой сетки, микроканальных пластин.

Для перекрытия разных спектральных интервалов используются следую­щие материалы фотокатодов:

· УФ излучения (115-200) нм — йодид цезия;

· видимого излучения — Sb-Cs и бищелочные (Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs);

· УФ, видимого и ближнего И К излучения — (350-850) нм — Sb-Na-K-Cs и GaAs; (300-1200) нм — Ag-0-Cs и In GaAs;

материалы стекол:

· при длине волны отсечки 0, 3 мкм — наиболее употребительно боросиликатное стекло;

· при длинах волн отсечки 0, 115; 0, 150 и 0, 160 мкм — фтористый магний, сапфир и синтетический кремний, соответственно.

Все более популярным типом динодной системы ФЭУ становится МКП. Вместо последовательно расположенных динодов, многократным динодом служит небольшой стеклянный капиллярный канал, поскольку в нем элек­троны неоднократно бьются о стенки, отскакивают от них, умножаясь в коли­честве при каждом ударе. Канал имеет внутренний диаметр от 6 до 20 мкм, несколько их тысяч собираются в матрицу. Поскольку МКП значительно со­кращают путь, проходимый каждым электроном, постоянная времени умень­шается до сотен пикосекунд.

Одним из главных преимуществ МКП по сравнению с ФЭУ других типов является резко сниженная чувствительность к внешнему магнитному полю: допустимыми значениями магнитной индукции в параллельном и поперечном каналах направлениях считаются 2 и 0, 07 Тл, соответственно.

В качестве примера наиболее современных ФЭУ приведем сведения из фирменного каталога японской фирмы Hamamatsu за 1997 г. о семействе ФЭУ серии R5600 в металлических корпусах и в виде модульных конструкций [28]. Группа ФЭУ типа R5600U — стандартные приборы, которые можно исполь­зовать в качестве ПИП в оптико-радиометрических СИ. Группа типа R5600P специально предназначена для применения в схемах счета фотонов, т. е. для работы в потоках предельно слабой интенсивности.

Все ФЭУ этого семейства выпускаются в стандартном металлическом кор­пусе ТО-8, используемом для размещения полупроводниковых оптико-элек­тронных приборов, но при этом Кпр ФЭУ серии R5600 примерно в 10000 раз выше, чем у твердотельных преобразователей. Благодаря уникальной форме электродов и применению микротехнологии их толщина в 10 раз меньше таковой у обычных ФЭУ.

В табл. 4. 2 приведены технические характеристики и параметры ФЭУ типа R5600 [28].

Современные ФЭУ имеют ряд очевидных достоинств, а именно: произве­дение усиления на ширину полосы экстремально и равно 1016, срок службы от 104 до 105 часов, при питании ±15 В и потреблении мощности в десятки милливатт.

4. 3. 2. Фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта. Как упоминалось ранее, наибольшее распространение в оптической радио­метрии получили фоторезисторы и фотодиоды.

Прежде чем более детально описывать ПИП этой группы, кратко рассмот­рим принципы их действия и дадим некоторые рекомендации по использова­нию [29] в качестве ПИП преимущественно в видимой области спектра. Крат­ко осветим возможности применения фотонных ПИП в УФ и ИК-областях спектра.

Таблица 4. 2. Характеристика и параметры ФЭУ серии R5600U

Наипростейшим и самым недорогим типом ФП на основе внутреннего фо­тоэффекта считается фоторезистор. Он состоит из тонкой пленки толщиной (50—100) мкм из сульфида кадмия (CdS), сульфида свинца (PbS) или селенида свинца (PbSe), расположенной между двумя электродами. Часто использу­ются компаунды из CdS с CdSe. При падении на фоторезистор оптического излучения его сопротивление резко падает (обычно с сотен мегом и даже единиц гигаом до десятков ом при ярком солнечном освещении). Разность потенциалов между двумя электродами порождает электрический ток, уси­ливаемый простейшей, как правило, стандартной электронной схемой. Обыч­но фоторезисторы работают в диапазоне плотностей потока (энергетической освещенности) от микроватт до милливатт на квадратный миллиметр, причем наиболее эффективно в видимой области спектра. Несмотря на их низкую стоимость, простоту, прочность и надежность, фоторезисторы не обеспечи­вают высокую точность................., имеют чаще всего нелинейную характеристику преобразования и достаточно инерционны: постоянная времени находится в пределах от десятков до сотен миллисекунд. Кроме того, постоянные вре­мени отдельных экземпляров фоторезисторов одного и того же типа могут отличаться даже в три раза. Однако указанные ранее достоинства делают фоторезисторы незаменимыми в рабочих РСИ в оптической радиометрии, а также в качестве сенсоров в системах контроля и сигнализации.

Более высокие точность, воспроизводимость и быстродействие обеспечива­ют фотодиоды. Фотодиод состоит из p-n-перехода между двумя по-разному легированными полупроводниковыми материалами. Для видимого диапазона спектра чаще всего используется легированный кремний. Если к ФД приложе­но отрицательное напряжение смещения его рабочего участка характеристики преобразования, то по нему протекает лишь темповой ток, порождаемый тепловым возбуждением электронов. При падении на ФД потока излучения, появляются электронно-дырочные пары и резко возрастает фототок, пропор­циональный интенсивности падающего света.

Фотодиоды обладают очень низким уровнем шума. Это означает сверх­малый порог чувствительности и большое отношение С/Ш, что позволяет детектировать оптические сигналы с плотностью потока порядка пиковатт на квадратный миллиметр. Наряду с достаточно высокой воспроизводимо­стью параметров при серийном производстве, ФД имеют постоянную времени, достигающую 10 пс. Без напряжения смещения ФД работает в фотоволь-таическом режиме. При работе в качестве ПИП падающего на ФД потока этот режим предпочтителен, так как исключается темновой ток, возрастает практически до предела отношение С/Ш и появляется возможность не только детектирования, но и измерения даже сверхслабых сигналов. Однако ФД в фотовольтаическом режиме. более инерционны, чем в режиме фотопроводи­мости.

Выходной ток ФД достаточно мал и нуждается в усилении с помощью внешних усилителей в виде стандартных интегральных схем. Вместе с тем существует класс упомянутых ранее ЛФД. При низких частотах коэффици­ент внутреннего усиления ЛФД достигает миллиона, уменьшаясь с ростом частоты сигнала.

Для усиления слабых выходных сигналов ФД можно использовать транзи­стор. Сочетание ФД с транзистором именуется фототранзистором, в котором диод на основе коллекторного перехода при падении потока излучения генери­рует ток, усиливаемый транзистором. Для усиления в последующем каскаде эмиттер фототранзистора может быть соединен с базой следующего транзи­стора, в результате чего образуется фотопара Дарлингтона. Коэффициент усиления фототранзисторов может достигать 105. Однако фототранзисторы более инерционны, чем ФД, поэтому в качестве ПИП на высоких частотах ФД не имеют конкурентов среди твердотельных ФП для оптической радиометрии.

Общее выражение для абсолютной спектральной характеристики преоб­разования ФР может быть представлено в виде

,

где е — заряд электрона; V — объем облученной части полупроводника; Q — KB внутреннего фотоэффекта; μ — подвижность фотоносителей; τ — время жизни фотоносителей; / — расстояние между контактами; U [В] — напряжение, приложенное к ФР.

Если время пролета между контактами носителей, генерируемых излуче­нием, оказывается меньше времени жизни т, ФР является ФП с внутренним усилением. Такой режим возможен при больших приложенных напряжениях и при определенной конструкции Φ Р.

Спектральный диапазон характеристики преобразования ФП на основе внутреннего фотоэффекта (как ФР, так и ФД) определяется шириной за­прещенной зоны материала, из которого изготовлен ФП, глубиной залегания примесных уровней в запрещенной зоне. Успехи в технологии полупроводни­ковых материалов и полупроводниковых приборов позволили создать ряд ФП, перекрывающих диапазон от УФ до дальнего ИК излучения.

Хорошо отработана технология получения ряда двойных и некоторых тройных полупроводниковых соединений. Фотоприемники, изготовленные на основе тройных полупроводниковых соединений , позволяют плавно перекрывать диапазон длин волн от 0, 5 до 25 мкм в зависи­мости от соотношения компонентов в соединении. Практически все такие ФП охлаждаемые, что вызывает дополнительные трудности при использовании их в измерительной аппаратуре в качестве ПИП.

Для более далекого ИК диапазона разработаны ФР на основе примесно­го Ge. В зависимости от легирующей примеси область спектральной характе­ристики преобразования простирается до 150 мкм. Примесные германиевые приемники работают при глубоком охлаждении 4-5 К, и их широкое примене­ние в СИ сильно затруднено. Использование ФП с расширенным спектраль­ным диапазоном в СИ весьма перспективно. Применение таких ФП с подо­бранными корригирующими фильтрами позволяет сделать их малоселектив­ными в определенном спектральном интервале и дает возможность измерять энергетические параметры без учета неравномерности СХ преобразования.

Общее выражение для АСХ преобразования ФД может быть представлено в виде

,

где R — коэффициент отражения; Τ — коэффициент пропускания окна прибо­ра; Q — квантовый выход; — коэффициент собирания носителей; λ — длина волны излучения.

В рабочем спектральном диапазоне абсолютное значение Кпр составляет десятые доли ампера на ватт. В литературе встречается очень мало сопоста­вимых достоверных данных о диапазоне линейности полупроводниковых ФД· Измерения линейности проводятся в разных условиях, критерий нелинейно­сти также различный и чаще всего вообще не указывается. Поэтому не пред­ставляется возможным сопоставить литературные данные по линейности ФД.

В каждом случае применения ФД в СИ необходимо исследовать их диапазон линейности в рабочих режимах и условиях.

Темновые токи ФД определяются концентрацией и диффузионной длиной неосновных равновесных носителей заряда и зависят от ширины запрещенной зоны материала и температуры. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых. Темновой ток обычных кремниевых ФД, изготовленных методом диффузии достигает (10^-5-10^-7) А. Кремниевые p-i-n-фотодиоды благодаря высокоомному i-му слою обладают меньшими темновыми токами — порядка 10^-9 А. Эпитаксиальные кремниевые ФД, не уступающие по своим фотоэлектрическим свойствам стандартным диффузи­онным ФД, имеют предельно малые темновые токи — порядка 10^-12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высоким Кпр делает их Φ Π с незначительным для оптической радиометрии порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения до 10^-12 Вт в непрерывном режиме.

Инерционность полупроводниковых ФД определяется временем диффу­зии неосновных носителей, генерируемых оптическим сигналом к р-п-перехо-ду, временем пролета носителей в p-n-переходе, а также временем RС-релак-сации. У обычных ФД, в конструкции которых не предусмотрено специаль­ных мер для повышения быстродействия, временное разрешение составляет (............... ) с в зависимости от площади p-n-перехода, глубины его залега­ния. Временное разрешение германиевых и кремниевых ЛФД достигает 1 не, кремниевых p-i-n ФД — от 1 до 20 не и даже ~10^-10 с, причем ЛФД имеет коэффициент внутреннего усиления от 100 до 1000.

Зонная характеристика полупроводниковых ФП обусловлена неоднород-ностями материала. Сопоставить литературные данные, касающиеся зависи­мости Кпр от угла падения излучения и ЗХ, не представляется возможным, так как, во-первых, таких данных мало, а, во-вторых, авторы обычно не указы­вают условий измерений. Поэтому при разработке СИ необходимо исследовать эти характеристики для каждого типа ФП.

Зонная характеристика зависит от длины волны излучения, что связано, по-видимому, с зависимостью глубины проникновения излучения от длины волны.

Зависимость Кпр полупроводниковых ФП от угла падения потока излуче­ния обусловлена зависимостью средней глубины проникновения излучения от угла падения и угловой зависимостью коэффициента отражения.

В данном параграфе мы рассмотрели так называемые общепромышленные (или коммерческие) фотонные ФП, которые обычно используются в качестве ПИП, будучи предварительно калиброванными непосредственно или в составе соответствующего оптико-радиометрического СИ.

Однако следует обратить внимание на необходимость грамотного выбора фотонного ФП в зависимости от вида решаемой измерительной задачи (дис­кретный счет фотонов или сигнал, пропорциональный входному оптическому воздействию), цены, требуемого времени измерений, отношения сигнал/шум и др. В [30] дан ряд практических рекомендаций по выбору фотонных ФП трех типов.

ФЭУ следует выбирать:

· для детектирования оптических сигналов сверхмалых уровней;

· при необходимости использования широкоапертурной приемной площадки чувствительного элемента;

· при необходимости использования простейшего усилителя;

· в схемах с низким уровнем шума;

· при необходимости счета фотонов при комнатной температуре;

· в УФ или видимом спектральных поддиапазонах при необходимости полу­чения высокого Кпр.

Планарный или р-г-п ФД следует выбирать:

· при необходимости высоких эффективного квантового выхода и отноше­ния С/Ш;

· с целью минимизации цены;

· при необходимости строгой температурной стабильности и неизменности выходного сигнала;

· при необходимости прочности и простоты конструкции;

· при достаточно высоких уровнях сигнала;

· при использовании узкополосных схем детектирования слабых сигналов;

· в применениях, где требуется высокий................ Кпр в ИК области.

· Лавинные ФД следует выбирать:

· при необходимости высоких эффективного квантового выхода и внутрен­него усиления;

· при высокочастотных измерениях;

· когда необходима прочность конструкции;

· при счете фотонов в ИК области спектра.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: