число носителей в зоне проводимости; / - ток через полупроводник; R - сопротивление полупроводника; / - частота; Af - полоса пропускания усилителя.

Токовый или избыточный шум. В некоторых полупроводниковых ПИ при прохождении по иим тока возникает дополнительный шум, который называют токовым или избыточным шумом. Экспериментальные исследования показывают, что этот вид шума обусловлен случайными изменениями сопротивления полупроводника

щадыо S, равен:

AP2==88feT5o1A/S. -

Так как ПИ, имея температуру, отличную от абсолютного нуля, сам является излучателем, то суммарная величина флуктуации лучистого потока будет равна:

Д> = 8feoi(eTsS + 8iT5/.Si)Afi (28-21)

где 6], Ti, Si -- соответственно коэффициент излучения, температура и площадь ПИ.

вследствие различных контактных и поверхностных явлений.

Типичным для этого шума является то, что в некотором диапазоне частот его спектральная плотность изменяется обратно пропорционально частоте, на которой измеряется шум. Средний квадрат токового шума в соответствии с экспериментальными дав-ными для малой полосы пропускания Д/ усилителя равен:

Рис. 28-22. Спектры шумов ПИ.

а - ПИ находятся при комнатной температуре: 1 - PbS, фр; 2 - RbSe, фр.; 3 - InSb, фр; 4 - InSb, фэм; 5 - InAs, фгэ; 6- InAs, фэм; 7- полупроводниковый болометр; 8- термоэлемент; 9 - оптико-акустический индикатор; 10 - CdS, фр; И - CdSe, фр; 12 - GaAs, фгэ; 13-ФЭУ; 14 - закон 1 , б - ПИ имеют температуру 77° К: 1 - PbS, фр; 2 - PbSe, фр; S- РЬТе, фр; 4 - Ge : Au, фр; 5 - Ge : All, Sb, фр; 6 - InSb, фр; 7 - InSb, фгэ; 8 - Те, фр; 9 - закон l/f.

Средний квадрат напряжения для шума излучения

U2 =Ф2ДР2.

и.ш т

Спектр шумов излучения белый.

Для того чтобы вычислить общий эффект шумов при отсутствии корреляции между ними, необходимо сложить средние квадраты напряжений всех шумов:

- AR2 i2

Ul.m + д.ш+(Г-Р)ш

Af, (28-20)

гДе А - коэффициент пропорциональности. При тщательном изготовлении ПИ токовый шум весьма мал.

Шумы излучения. Как известно, излучение представляет собой поток фотонов. Число фотонов, падающих за определенный промежуток времени на ПИ, колеблется случайным образом около средней величины. Вследствие этого ток или напряжение, вырабатываемые ПИ под действием потока фотонов, также будут флуктуировать. Средний квадрат флуктуации потока, падающего иа приемник от серого тела пло-

Д.Ш I (Г-Р)ш 1 WIUI и.ш (28-22)

Спектры суммарных шумов ПИ различных типов представлены на рис. 28-22.

Пороговый поток и пороговая чувствительность ПИ. Под пороговым потоком понимается наименьший поток, который может быть обнаружен на входе ПИ при данном времени наблюдения и заданных вероятностях, правильного обнаружения V/n.o н ложной тревоги V/л.т на фойе шумов

Так как

(28-23) (28-24)

где т- коэффициент, зависящий от требуемых Wn.o И Wn.t, то

(28-25)

В зарубежной литературе пороговый поток прн т-\ называют эквивалентной мощностью шума (ЭМШ или NEP).

Пороговая чувствительность ПИ D является величиной, обратной пороговому потоку £>=Т/РПОр. Так как пороговая чувствительность зависит от полосы пропускания системы, а для большинства ПИ и от их площади, то D определяется обычно при отношении сигнала к шуму, равном 1, для площади ПИ в 1 смг, при полосе пропускания устройства Af=l гц и -при определенной частоте модуляпии лучистого потока. Нормализованная, таким образом, пороговая чувствительность называется иногда обнаруживаемостью или де-тектируемостъю D*:

(28-26)

где S, m и - величины, для которых определялось данное РПор-

Предельная, т. е. наилучшая возможная, пороговая чувствительность любого ПИ определяется шумами излучения фона.

Фотоэлектрические приемники излучений

Во всех фотоэлектрических приемниках излучений (ФПИ) происходит непосредственное взаимодействие лучистого потока с носителями электричества в веществе - так

Рис. 28-23. Конструкция фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

К - катод: А - анод; В - выводы.

называемый фотоэффект, в результате которого носители получают дополнительную энергию и либо покидают вещество (внешний фотоэффект), либо изменяют его проводимость или создают фото-э. д. с. (внутренний фотоэффект).

Численные значения характеристик рассматриваемых далее ПИ представлены

в табл. 28-5, а их частотные характеристики и спектры шумов - на рис. 28-21 и 28-22.

Приемники излучений с внешним фотоэффектом

Фотоэлементы (ФЭ) с в и е ш г ним ф о т,о э ф ф е к т о м: Конструкция ФЭ с внешним фотоэффектом представлена на рис. 28-23. Излучение, падающее на фотокатод (К), выбивает из него электроны, которые под действием электрического по-

03 Dfi 0,5 Iff 6,7 0.8 0,3 1,0 1,1 1,2 мкм

Рис. 28-24. Кривые спектральной чувствительности

фотокатодов. / - кислородио-цезиевого; 2 - сурьмяно-цезиевого.

ля, приложенного между катодом и анодом (А), поступают на анод.

Кривые спектральной чувствительности ФЭ изображены на рис. 28-24.

Длинноволновая граница спектральной чувствительности ФЭ с внешним фотоэффектом определяется той длиной волиы Хкр, при которой выбиваемый электрон выходит из вещества с нулевой скоростью. Тогда в соответствии с уравнением сохранения энергии

hf=h-

+ W*ba, (28-2?)

где ft - постоянная Планка; f - частота излучения; тп и Уэл - масса и скорость электрона; 1УЕых - работа выхода вещества фотокатода, получаем при 1/3л=0

кр

(28-28)

Для известных в настоящее время фотокатодов ?vKpl,3 мкм.

Световые характеристики ФЭ с внешним фотоэффектом линейны при небольших лучистых потоках (закон Столетова). Зависимость тока ФЭ от приложенного напряжения - вольт-амперная характеристика (рис. 28-25) - позволяет выбрать рабочую область (заштрихованный участок), в пределах которой случайные изменения напряжения не вызовут изменения тока ФЭ. Пороговая чувствительность ФЭ определяется суммарным значением дробовых шумов ФЭ и тепловых шумов сопротивления нагрузки.

Схема включения ФЭ дана иа рис. 28-26. Электронно-оптические преобразователи. Видоизменением ФЭ с внешним фотоэффектом является электронно-оптический преобразователь (ЭОП), который находит широкое применение в

,1 г,>гг

Рис. 28-25. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

Рис. 28-26. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

Рис. 28-27. Электронно-оптический преобразователь.

/ - фотокатод; 2 - экран; S - электростатическая лииза.

ИКП наблюдения. ЭОП (рис. 28-27) представляет собой стеклянный баллон, на одной торцевой стороне которого нанесен фотокатод, а на другой - люминесцирующий экран (анод). Между фотокатодом и анодом приложено электрическое напряжение в несколько киловольт. Все электроны, вылетевшие из одной точки фотокатода, фокусируются с помощью электростатических или магнитных линз в одну точку иа экране. Таким образом, если на фотокатоде будет создано изображение в ИК-лучах, то на экране можно будет наблюдать адекватное

видимое изображение. В процессе преобразования ИК-изображения в видимое происходит усиление яркости наблюдаемого изображения за счет энергии источника питания.

Спектральная чувствительность ЭОП определяется материалом, из которого изготовлен фотокатод (см. рис. 28-24).

Интегральная чувствительность ЭОП характеризуется коэффициентом преобразования q, представляющим собой отношение потока, излучаемого экраном, к потоку, поступающему на фотокатод:

q=-~ = <pUt (28-29)

где <р - интегральная чувствительность фотокатода; U - напряжение между катодом

О 20 0 60мм-*

Рнс. 28-28. ПЧХ трех различных ЭОП типа ПИМ-3.

и анодом; £- световая отдача экрана, равная отношению светового потока экрана Fa (лм) к мощности пучка электронов, поступающих на экран.

Для современных преобразователей значения коэффициента преобразования составляют 10-20.

Инерционность ЭОП определяется инерционностью люминесцирующего экрана и характеризуется его постоянной времени (мсек) или частотной характеристикой. Поскольку в ЭОП происходит преобразование ИК-изображения в видимое изображение, а не просто преобразование лучистого потока в электрический сигнал, то необходимо ввести такую характеристику, как разрешающая способность ЭОП, которая в некоторой степени оценивает качество преобразования изображения.

Разрешающая способность ЭОП измеряется числом белых линий, различаемых глазом иа экране ЭОП, при оптимальных условиях наблюдения. Разрешающая способность ЭОП в основном определяется разрешающей способностью экрана, которая в свою очередь зависит от зернистости экрана.