Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
6
Рис. 4.1
Каждый ПИ 1 представляет собой кусок тонкой пленки Pbs или PbSe или HgCdTe, имеющих электрические (омические) контакты 2 по краям, общую шину 3 с одного конца и индивидуальные выходы 5 с других концов, подключенные к регистру сдвига 6 с усилителем 7 и осциллографу 8, имеющему блок выделения строки и запомниающую электронную трубку. На фоторезистор может также быть подано напряжение смещения от источника 4.
Вся эта восьмиэлементная линейка выполнена по одной технологии и охлаждена в оптическом криостате до температуры порядка 170 К (Pbs).
Если входное оптическое окно криостата закрыть холодной полированной металлической заслонкой, то при считывании сигнала с элемен-
32 тов линейки будем измерять фактически собственный шум ПИ, а также считывающего устройства.
Математическое ожидание (7.2) и (7.3) для всех элементов должно быть около нуля. Но при наборе ? 25 произвольных (или по случайному закону) реализаций считывания выходного сигнала на осциллографа (рис. 4.2) увидим набор отсчетов, соответствующий дисперсии собственного шума
Из-за разброса параметров пленочных ПИ собственный шум у каждого элемента будет иметь свое значение, а вероятность появления того или иного значения сигнала при мгновенной реализации определяется законом Гаусса (рис. 4.3), где «/100 % - частота повторения значения сигнала.
Кривая Гаусса 1 симметрична относительно оси 0Y, а на оси 0X отложены значе-
Рис. 4.2
Y
1,0
0,9
1
0,1 111 I1 1. Г г
-X -3D -2D -D 0
2D 3D X Амплитуда сигнала
Рис. 4.3
ния D = 7 D (x) , т. е. среднеквадратичные отклонения амплитуды сигналов с отдельного элемента от среднего значения, равного нулю, в данном конкретном случае. Среднеквадратичное значении собственного шума) будет Dm0 .
Теперь откроем холодную заслонку и спроецируем на элементы линейки поток
(равномерный) инфракрасного излучения в пределах спектральной чувствительности ПИ. На экране осциллографа увидим картину, соответствующую рис. 4.4.
M(x)>0
Уровень 0
Рис. 4.4
33 Средние значения сигнала с элементов будут соответствовать одной и той же облученности ПИ ИК-излучением, но при разной пороговой чувствительности элементов. На каждой вершине импульса сигналов появляются "шумовые дорожки" от ? 25 реализации сигнала, определяемые суммарным шумом собственно ПИ, флуктуациями излучения, а также генерацией и рекомбинацией фотогенерированных носителей заряда
Пш =
п
ш.ф
1,0 n / %
0,9
0,1 /1 I 1 ---1\ I X. 1
+ пш.г.р.ш. (4.5)
В формуле (4.5) основной вклад в Din дает генерационно-рекомби-национный шум, обусловленный фоновой ИК-засветкой.
Кривая Гаусса для случая на рис. 4.4 будет иметь смещение в положительном направлении амплитуды сигнала (рис. 4.5).
Отношение
-X -3П -2П -П M(x) п 2П 3П X
Амплитуда сигнала
Рис. 4.5
U
Пш
(4.6)
называется отношением сигнал-шум. Для надежного обнаружения цели необходимо, чтобы 8 было как можно больше, т. е.
8 ? (6-12) .
Точное значение П ПИ будет определяться формулой
Пш =
і
П2 + П2 + П2 + П2 + П2 ш0 ш.ф ш.г.р.ш ш.н.с ш.т.н '
^ш.ф + Пш.г.р.ш + Пш.н.с + Пш.т.н , (4.7)
где Пш н с - неравномерности чувствительности, а Пш шум от неравномерности темнового сигнала. Но последние две составляющие детерминированы и могут быть вычтены компьютерной обработкой видеосигнала. Есть еще П от теплового шума.
4.1. Составляющие шума
У различных ПИ имеются различные составляющие шума. 1. Тепловой шум. Его дисперсия в полосе ?/
34 (VT )2 = 4kTRUf, (4.8)
где R - эквивалентное шумовое сопротивление.
Для фоторезистивных и фотовольтаических твердотельных ПИ при глубоком охлаждении этой составляющей шума обычно пренебрегают.
2. Радиационный (фотонный) шум. Дисперсия флуктуаций мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру Тф и коэффициент излучения ?,ф , на ПИ в полосе частот Df
?9 2 = 8Ст.ф кТф^л Df. (4.9)
3. Генерационно-рекомбинационный шум. Основным видом шума в полупроводниках на промежуточных частотах является генерацион-но-рекомбинационный шум, который связан с флуктуациями процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов. Он аналогичен дробовым шумам в вакуумных приборах.
4.2. Токовая и вольтовая чувствительности.
Динамический диапазон
Они имеют исключительно важное значение, так как определяют величину выходного сигнала с ПИ.
Типичные значения токовой (или ампер-ваттной) чувствительности Sj для фотосопротивлений на основе Pbs или PbSe достигают 1-2[J05 для матриц с Ткадр ? 0,1 с.
Фотовольтаические (фотодиодные) приемники обладают вольт-ват -тной чувствительностью Sv (В / Вт) .
Важнейшим параметром любого ПИ является динамический диапазон - область значений входного потока, в которой сохраняется линейная (или близкая к ней) зависимость выходного сигнала от величины входного потока или фоновой облученности. Но чаще динамический диапазон определяют как отношение сигнала насыщения свет-сигналь-
U
ной характеристики к среднеквадратичному значению шума ПИ D .
