Классификация и технические характеристики фотодетекторов

ФОТОПРИЕМНИКИ.. 3

2. Классификация и технические характеристики фотодетекторов. ……4

3. Глаз – фотобиологический приёмник излучения. ……………………….8

Фотофизические приёмники излучения. 11

Фотохимические приёмники излучения. 15

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 17

 

 

ФОТОПРИЕМНИКИ

 

Фотоприемники предназначены для преобразования оптического сигнала в электрический. Они называются также фотодетекторами, так как осуществляют детектирование оптического сигнала, т.е. его демодуляцию.

 

К фотоприемникам также относят фотопреобразователи, основной целью которых является эффективное преобразование световой энергии заданного спектрального состава в электрическую. Типичным примером здесь служат солнечные батареи.

 

Фотоприемник является первым и основным элементом системы демодуляции и обработки оптического сигнала. Как и в радиоэлектронике, системы детектирования в оптической электронике разделяют на две группы:

а) непосредственного (прямое) детектирования; б) детектирования с преобразованием.

 

Оптическое детектирование с преобразованием, как правило, осуществляется в длинноволновом оптическом диапазоне с λ>10 мкм. Наиболее часто применяют схемы прямого детектирования.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Справочная книга по светотехнике / Под ред. А.Ю. Айзенберга. 3е изд. перераб. и доп. – М.: Знак, 2006. – 972 с.

 

2. Шашлов, А.Б. Основы светотехники: учебник для вузов / А.Б. Шашлов. – Изд. 2е, доп. и перераб. – М.: Логос, 2011. – 256 с.

 

 

3. Шрёдер, Г. Техническая оптика / Г. Шрёдер, Х. Трайбер – М.: Техно

 

сфера, 2006. – 424 с.

 

 

4. ГОСТ 8.3322013. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения. Общие положения. – М.: Стандартинформ, 2014. – 12 с.

5. Шеховцов, В.П. Осветительные установки промышленных и гражданских объектов / В.П. Шеховцов – М.: Форум, 2009. – 160 с.

6. Стефанов, С. Цвет READYMADE или теория и практика цвета / С. Стефанов, В. Тихонов. – М.: РепроЦЕНТР, 2005. – 320 с

 

ФОТОПРИЕМНИКИ.. 3

2. Классификация и технические характеристики фотодетекторов. ……4

3. Глаз – фотобиологический приёмник излучения. ……………………….8

Фотофизические приёмники излучения. 11

Фотохимические приёмники излучения. 15

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 17

 

 

ФОТОПРИЕМНИКИ

 

Фотоприемники предназначены для преобразования оптического сигнала в электрический. Они называются также фотодетекторами, так как осуществляют детектирование оптического сигнала, т.е. его демодуляцию.

 

К фотоприемникам также относят фотопреобразователи, основной целью которых является эффективное преобразование световой энергии заданного спектрального состава в электрическую. Типичным примером здесь служат солнечные батареи.

 

Фотоприемник является первым и основным элементом системы демодуляции и обработки оптического сигнала. Как и в радиоэлектронике, системы детектирования в оптической электронике разделяют на две группы:

а) непосредственного (прямое) детектирования; б) детектирования с преобразованием.

 

Оптическое детектирование с преобразованием, как правило, осуществляется в длинноволновом оптическом диапазоне с λ>10 мкм. Наиболее часто применяют схемы прямого детектирования.

 

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 h ω = 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.