Фотоприемники. Принцип действия тепловых ФП

1. Фотоприемники

2. Фотоприемники предназначены для преобразования оптического сигнала в электрический.

• Фотоприемники (ФП):
• - фотодетекторы (фотоприемники) осуществляют
детектирование оптического сигнала, т.е. его
демодуляцию;
• - фотопреобразователи (солнечные батареи).
• По принципу действия ФП подразделяются на
• - тепловые;
• - фотоэлектрические (фотонные) бывают на
а) внешнем фотоэффекте;
б) внутреннем фотоэффекте.

3. Принцип действия тепловых ФП основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры вследствие

поглощения оптического излучения.
Типы тепловых ФП:
• - болометры, использующие изменение сопротивления
тонкой металлической п/п или сверхпроводящей пленки;
• - термоэлектрические детекторы типа термопар,
использующие эффект возникновения термоЭДС на контактах
двух металлов;
• - пироэлектрические приемники, основанные на
пироэлектрическом эффекте.
• Тепловые ФП обладают большой инерционностью и низкой
чувствительностью. В системах передачи информации не
используются.

4. ФП с внешним фотоэффектом. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Принцип действия ФЭУ основан на выбивании электронов с поверхности

фотокатода и последующем усилении электронного
потока с помощью вторичной электронной эмиссии.
q - коэффициент вторичного электронного умножения
N - количество динодов

5.

Быстродействие ФЭУ
10…30 нс (~0,1 нс)
• Достоинства ФЭУ:
низкие шумы, высокая чувствительность (возможна регистрация
отдельных фотонов и световых потоков на уровне 10-19 Вт.
• Недостатки ФЭУ:
высокие рабочие напряжения (≈ 500…1500 В), низкая прочность.

6. По виду оптической информации (оптические сигналы, дискретные во времени, пространстве и спектральной области; оптические

образы или картины)
ФП подразделяются на:
• - дискретные (одноэлементные), предназначенные для приема
коротких импульсных сигналов, обладающие высокой
чувствительностью в заданной области спектра и малой
инерционностью (лучшие – фотодиоды, особенно, лавинные и p-i-n
фотодиоды);
- для восприятия световых образов (многоэлементные) с
самосканированием, высокими пространственной разрешающей
способностью, динамическим диапазоном, чувствительностью в
широком спектральном интервале (лучшие – ФПЗС).

7. Система параметров ФП

1. Чувствительность (А/Вт)
Спектральная (монохроматическая) чувствительность
Интегральная чувствительность
2. Квантовый выход – отношение числа носителей заряда,
генерируемых за счет фотоэффекта, к числу падающих
фотонов.
3. Спектральная характеристика (абсолютная или относительная (к
максимуму спектральной чувствительности))– это значения
чувствительности (или квантового выхода фотоответа) в полосе
частот.

8.

9.

4. Инерционность (быстродействие) – способность фотоприемника
без искажения регистрировать быстрые изменения светового
потока. Характеризуется граничной частотой (при которой
чувствительность ФП падает в е или 2 раза) или постоянной
времени. Быстродействие ограничено временем пробега
фотовозбужденных носителей и постоянной времени RC-цепочки, на
которую нагружен ФП.
5. Минимально различимый сигнал – величина светового потока в (Вт),
которая на выходе ФП создает сигнал, равный шуму.
Эквивалентная мощность шума – величина светового потока, которая
на выходе ФП в единичной полосе частот вызывает сигнал, равный
шуму
Обнаружительная способность
6. Нормированная обнаружительная способность (детектирующая
способность, обнаружительная способность)
(ди стар)

10.

7. Вольт-амперная характеристика– зависимость тока через ФП от
приложенного к нему напряжения, при различных значениях
светового потока.
Темновой ток – это ток при
световом потоке равном нулю
(при заданном обратном напряжении)
8. Энергетическая характеристика – это зависимость фототока от
светового потока при постоянном обратном напряжении.
9. Коэффициент умножения (для лавинных ФД)

11. p-i-n-фотодиоды

Кремниевый p-i-n-фотодиод и
семейство вольтамперных характеристик
I – фотодиодный режим работы ФД; II – фотовентильный режим.

12.

P0 (1 R)e z

13.

Зависимость коэффициента поглощения некоторых
материалов и длины поглощения от длины волны света.

14.

15.

16. Шумы

17. В шумовой ток ФД входят основные компоненты:

-
«1/f-шум», «фликер-шум» или технический шум, f1 = 1 кГц;
дробовой (генерационно-рекомбинационный) шум,
от f1 до f2 порядка
;
-
тепловой шум (шум Джонсона или Найквиста)
-
фоновый шум;
фотонный шум

18. Шумы ЛФД

19. Фоторезистор

20. Характеристики фоторезистора:

-
отношение темнового и светового сопротивлений
коэффициент внутреннего усиления фототока, определяемый
как отношение числа электронов, перенесенных фототоком, к
числу поглощенных фотонов
KI
-
n
t пр
t пр
a
vср
t пр - время пролета электрона через фоторезистор
Достоинства:
-
линейность вольт-амперной и энергетической характеристик;
простота конструкции и надежность, дешевизна;
внутреннее усиление.
Недостаток – большая инерционность