Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Из графиков, в частности, следует, что для Т*2 = 7\ = 295 К D* 2-1010, т. е. Фп ^ 5-10-11 Вт-см"1 • Гц“1/г. Если же прием-
Ь\см-Гц 1/2-Bi 1
-= 'Гг I г, 01 =7 f 71 u r —J
= -
Л
\
F0O
7
II К Г k *Чг
0 200 400 600Т2,К
Рис. 325. Обкаружительная способность идеального теплового приемника, имеющего температуру 7\ К, в зависимости от температуры фона 7Y К, окружающего его со стороны всей передней полусферы
16*
483
ник охлажден до температуры абсолютного нуля, эквивалентная мощность фотонного шума уменьшается всего в раза по сравнению со случаем, когда приемник имеет комнатную температуру.
§ 8. ФОТОННЫЙ ШУМ ФОТОННЫХ ПРИЕМНИКОВ
Фотонные или квантовые приемники отличаются от тепловых тем, что в них имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами материала приемника. Поэтому, если чувствительность тепловых приемников пропорциональна поглощенной энергии, то чувствительность фотонных приемников — числу поглощенных фотонов. Вследствие прямого взаимодействия между фотонами и электронами инерционность фотонных приемников очень мала, а чувствительность их в условиях глубокого охлаждения обычно на один-два порядка выше, чем чувствительность тепловых приемников. Спектральная чувствительность фотонных приемников зависит от длины волны, в то время как спектральная чувствительность теплового приемника от длины волны не зависит, если процесс чернения его поверхности достаточно совершенный. Так как энергия фотона изменяется с длиной волны, фотонные приемники характеризуются длинноволновой границей чувствительности, за пределами которой энергия фотона либо меньше работы выхода для фотоэмиссионных приемников, либо недостаточна для создания пары электрон -дырка для фоторезисторов и фотовольтаических приемников, т. е. длиной волны (мкм) Я0 = 1,242/ф.
Для фотоэмиссионных приемников <р есть задерживающий потенциал в электронвольтах ф = w/e, где w — работа выхода, е — заряд электрона. Предельно низкую величину задерживающего потенциала имеют серебрянокислородноцезиевые эмитти-рующие поверхности, у которых ф = 0,98 эВ, т. е. 7,0 = 1,25 мкм.
Для полупроводниковых приемников ф = Д?0, где Д?0 — ширина запрещенной зоны, выраженная в электрон—вольтах.
Все известные полупроводники с собственной проводимостью имеют ширину запрещенной зоны не менее 0,18 эВ, т. е. работают в области до 7 мкм. При охлаждении ширина запрещенной зоны сужается, сузить ее можно и за счет введения примесей легирования. В этом случае наибольшая граничная длина волны достигает 140 мкм (германий, легированный бором) и даже 8000 мкм (легированный антимонид индия).
Идеализированные спектральные характеристики тепловых и фотонных приемников, построенные исходя из постоянной величины потока излучения на единичный интервал длин волн, имеют вид, представленный на рис. 326. Там же приведены спектральные характеристики, построенные по другому принципу, исходя из постоянного числа фотонов на единичный интервал длин волн.
Действие излучения на фотонные приемники характеризуется коэффициентом квантовой эффективности, равным отношению
числа фотонов, активно поглощенных фотослоем, т. е. фотонов, освободивших фотоэлектроны, к общему числу фотонов. Часть падающих на приемник фотонов является неэффективной как за счет процессов отражения и пропускания, так и за счет тех процессов поглощения, при которых не возникает фотоэлектронов. Считая, что каждый эффективный фотон создает один фотоэлектрон, найдем значение квантовой эффективности rj (v) = п (v)/N (v), где п (v) — среднее число фотоэлектронов, освобождаемых падающим излучением в спектральном интервале от v до v -f dv в единицу времени (средняя скорость генерации фотоэлектронов), N (v) —
б)
кш
А
Т 0 А„ Л
Рис. 326. Идеализированные спектральные характеристики приемников излучения: а — величина потока излучения, приходящегося на единичный интервал длин волн, постоянна; б — число фотонов, приходящееся на единичный интервал длин волн, постоянно;
А — тепловые приемники, Б — фотонные приемники
среднее число фотонов, падающих на приемник в спектральном интервале от v до v -f dv в единицу времени (средняя скорость поступления фотонов).
В фотоэмиссионных приемниках между средней скоростью генерации фотоэлектронов и постоянной составляющей фототока существует простая зависимость i (v) = еп (v), где е = 1,6*Ю“19 А-с— заряд электрона.
Для полупроводниковых приемников эта зависимость более сложна, но в простейшем случае она может быть получена следующим образом.
При тепловом возбуждении носителей—электронов и дырок — полупроводник имеет среднюю проводимость
а = е (7ц1е + рцЛ),
где е — заряд электрона, пир — средние значения концентрации электронов и дырок, вызванные тепловым возбуждением, \ле и [Ц — подвижности электронов и дырок.
В результате воздействия активных фотонов, приходящих со скоростью п (v), проводимость полупроводника изменяется в среднем на величину
Лег (v) = е (An (v)jie -f Ар (vjn„),
