В основу работы пиротехнических фотоприемников (ПФП) положен пироэлектрический эффект кристаллов, сущность которого заключается в изменении поляризации пироактив - ного 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 объемной и поверхностной проводимостями кристалла и не могут быть обнаружены.

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

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

ЙР АР 6Т АТ

/=^- = —^ — = 7—, (6.51)

АТ с1/ (1/

Где Рс — коэффициент спонтанной поляризации; Т — температура; у — пироэлектрический коэффициент.

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

А со ау/?

^ “ С/?(1 + со2-сУ2(1 + со2тэУ2 ’ (6'52)

Где Аф — площадь приемной площадки фоточувствительного элемента; а — коэффициент поглощения; Я3 — эквивалентное сопротивление нагрузки; С„ — суммарная емкость кри­сталла и нагрузки (входной емкости усилителя); со — круговая частота модуляции потока; тт = СЮ — тепловая постоянная времени (отношение теплоемкости кристалла С к коэффи­циенту теплопотерь С); тэ = ЯэСа — электрическая постоянная времени.

Решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приемников оказы­вает значение пироэлектрического коэффициента у. Максимальное значение пироэлек­трический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода (так называют точки Кюри). Большинство типов фотоприемников, использующих внутренний фотоэффект, обладают избирательной чувствительностью. Тепловые же фотоприемники, использующие пироэффект, обладают практически рав­номерной чувствительностью во всем рабочем диапазоне длин волн. Пирофотоприемни­ки типа МГ30, МГ32, разработанные НПП «Восток» (Новосибирск), работают в диапа­зоне (2...20) мкм.

Особенностью пироэлектрических приемников излучения является то, что они, будучи по существу емкостными элементами, имеют очень большое внутреннее сопротивление (10ш...10и Ом) и низкие выходные токи (1(Г|2...1(Г13 А). Это создает значительные трудно­сти при согласовании их с входными каскадами усилителей. Ко входным цепям усилитель­ных устройств, работающим совместно с пироэлектрическими приемниками, предъявляется ряд специфических требований: высокое входное сопротивление, малая входная емкость, низкий уровень собственных шумов.

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

Принципиальная электрическая схема устройства, содержащего пироэлектрический элемент (ПФП), подключенный к интегральному операционному усилителю с входным дифференциальным каскадом усиления на основе полевых транзисторов (ДА), приведена на рис. 6.27.

Основные параметры такого устройства определяются следующим образом.

Напряжение выходного сигнала:

Ч2 "^2

(6.53)

» + (<»ХЖУ

1 + (сотп)2

Где тп = Я„СП; /?„ — сопротивление нагрузки пироэлектрического элемента; С„ — собствен­ная емкость пироэлектрического элемента; тп — постоянная времени пироэлектрического элемента; тос — постоянная времени цепи обратной связи усилителя; Ф— поток, восприни­маемый пироэлектрическим элементом.

Я.

> 00

1 Ит

ПФП

Г

> СП)Ч (соСп) шСп 7 / Где /3 — ток затвора входного полевого транзистора; Т — температура окружающей среды; а — угол потерь пироэлектрического элемента; — спектральная плотность напряжения шума входного транзистора усилителя на заданной частоте/ В приведенной формуле первый член представляет собой составляющую теплового шу­ма входного сопротивления, второй — составляющую дробового шума входного полевого транзистора, третий — составляющую шума пироэлектрического элемента, четвертый — составляющую шума усилителя, приведенного ко входу.

_+шм*+Кі

4кТ

2 еГ

(6.54)

Рис. 6.27. Схема устройства с пирофотоприемником

Напряжение шума, приведенное ко входу в единичной полосе частот:

Тесты 6.1. Назовите тип собственного поглощения света в кристаллах, используя рис. 1. 6.2. Назовите тип примесного поглощения света в кристаллах, используя рис. 1. 6.3. Каким образом используется закон Бугера в оптоэлектронике: А) позволяет рассчитать числовую апертуру; Б) позволяет рассчитать фоточувствительность фотоприемника; В) позволяет оценить степень поглощения света в твердом теле; Г) позволяет определить граничную длину волны фотоприемника? 6.4. Укажите граничную длину волны фотоэффекта, используя рис. 2.

6.5. Что называется фотодиодом с барьером Шоттки:

А) прибор, использующий слой с собственной проводимостью;

Б) прибор, использующий внутри структуры металлический слой;

В) прибор, использующий внутри структуры гетеропереход;

Г) прибор, использующий внутри структуры слой с малым сопротивлением?

6.6. Что называется гетерофотодиодом:

А) прибор, использующий контакт металл-полупроводник;

Б) прибор, использующий слой с высокой проводимостью;

В) прибор, использующий слой с низкой проводимостью;

Г) прибор, использующий полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны?

6.7. Какие особенности имеют ЛФД фотоприемники:

А) используют фотодиффузионный режим;

Б) отличаются малым уровнем собственных шумов;

В) используют возможность усиления фототока;

Г) отличаются повышенным уровнем собственных шумов?

6.8. Что предусматривается в структуре фотоприемника для по - р,^. 2

Вышения чувствительности:

А) короткая поглощающая свет область;

Б) длинная поглощающая свет область;

В) узкая поглощающая свет область;

Г) оптические контакты с низким сопротивлением?

6.9. В какой области фотоносители перемещаются, используя механизм дрейфа:

А) в области оптических контактов;

Б) в области р-и-перехода;

В) в пассивной р-области;

Г) в пассивной «-области?

6.10. По какой формуле можно рассчитать токовую чувствительность к освещенности:

Ф -

Б) Б, = ‘ЕУ

А) 5, =-4-; Ф„
В) =- Ф,