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 Бф', световому потоку^, облученности БЕ и к освещенности 5£(/.
В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника различают токовую и вольтовую чувствительности фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувствительность (£/). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (Яу).
Примеры определения чувствительности фотоприемника приведены в выражениях ниже:
V = /*/Фк; Ч V = ^ =и*/Ее, (6.3)
Где 5/ф( — токовая чувствительность к световому потоку; £/£. — токовая чувствительность к освещенности; БУФ — вольтовая чувствительность к потоку излучения; БУЕ^ — вольтовая чувствительность к облученности (см. п. 2.2.4).
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 /ш понимают среднеквадратичное значение флуктуации 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 Фп, 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 /ш и полезный сигнал /ф. Если поток излучения равен пороговому потоку Фпор, то значения тока шума и фототока сравниваются, т. е. /ш = /ф при Ф = Фпор.
Так как шум зависит от полосы частот, в котором шум измеряется, то значение Фпор зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной полосе частот (Фпор1) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально-модулиро - ванного 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'„ор1=Фпор.^ (6-4)
Где Фпор1 — поток в единичной полосе частот; Б — площадь фоточувствительного элемента фотоприемника.
Таким образом, удельный пороговый поток — это поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.