Читать книгу Detekcja sygnałów optycznych - Zbigniew Bielecki - Страница 28

Poprawna praca odbiornika sygnałów optycznych zależy głównie od właściwości detektora. Detektor powinien charakteryzować się dużą czułością, dużą szybkością odpowiedzi, małym poborem mocy, kompatybilnością z elektronicznym obwodem wejściowym, dużą trwałością i niezawodnością działania, dużą wydajnością kwantową, dobrymi właściwościami termicznymi, małym prądem ciemnym, małymi szumami, małymi rozmiarami i niewielkimi kosztami wytwarzania.

W tym podrozdziale zdefiniujemy podstawowe parametry detektorów. Ze względu na powszechnie stosowane nazewnictwo anglojęzyczne w nawiasach podano nazwy w języku angielskim.

Powierzchnia fotoczuła (ang. photosensitive area). Powierzchnia fotoczuła detektora monokrystalicznego (wykonanego z materiału litego) lub cienkowarstwowego jest zwykle powierzchnią aktywną. Zazwyczaj odpowiada ona powierzchni geometrycznej detektora. Dla detektorów o powierzchni kołowej zazwyczaj podaje się średnicę, a dla detektorów o powierzchni prostokąta i kwadratu jego długość i szerokość. Dla detektorów zintegrowanych z soczewką immersyjną powierzchnia fotoczuła jest równa aperturze wejściowej.

Napięcie zasilania detektora (ang. supply voltage). W wielu detektorach należy stosować polaryzację zewnętrzną (zasilanie). Fotorezystory i bolometry są zasilane napięciem elektrycznym. Sygnał wyjściowy i szum detektora są funkcją napięcia zasilania i częstotliwości modulacji promieniowania. Dąży się do takiej wartości napięcia zasilania detektora, przy której stosunek sygnału do szumu osiąga wartość maksymalną przy określonej częstotliwości.

Moc promieniowania (ang. incident power). Aby poprawnie zdefiniować parametry detektora, należy znać moc promieniowania padającego, jego rozkład widmowy i przestrzenny. Do testowania detektorów podczerwieni powszechnie są stosowane ciała doskonale czarne o temperaturze 500 K. Ciało doskonale czarne ma dokładnie określoną charakterystykę rozkładu widmowego mocy promieniowania [2.1].

Zwykle strumień mocy promieniowania padającego na detektor jest modulowany. Ponieważ modulacja może być spełniona w różny sposób (modulacja prostokątna, sinusoidalna, trójkątna itp.), więc przyjęto podawać moc podstawowej składowej rozwinięcia fourierowskiego kształtu przebiegu modulacji [2.2]. Częstotliwość modulacji jest częstotliwością podstawową. W pomiarach parametrów detektorów jest powszechnie stosowana modulacja prostokątna [2.3].

Impedancja detektora Z_d (ang. detector impedance). Impedancję detektora Z_d można określić jako iloraz wartości chwilowych przyrostu napięcia do wartości chwilowych przyrostu prądu dla danego napięcia polaryzacji

(2.1)

Impedancja detektora zależy od napięcia zasilania detektora, pojemności detektora i natężenia padającego promieniowania.

Rezystancja równoległa fotodiody R_d (ang. shunt resistance). Jest ona określona jako iloraz wartości chwilowych przyrostu napięcia do wartości chwilowych przyrostu prądu, dla V = 0 (rys. 2.1). W katalogach firmy Hamamatsu jest ona określona dla napięcia polaryzacji wstecznej fotodiody wynoszącego 10 mV [2.4, 2.5].

Dla fotodiody idealnej wartość rezystancji równoległej jest nieskończenie duża, natomiast dla fotodiody rzeczywistej, w zależności od zakresu widmowego, może wynosić od dziesiątek omów do kilkuset MΩ.

Rys. 2.1. Sposób wyznaczenia rezystancji równoległej fotodiody

Rezystancja szeregowa fotodiody R_s (ang. series resistance) wynika z rezystancji kontaktów i rezystancji obszarów quasi-neutralnych (niezubożonych) (rys. 4.31). Dla fotodiody idealnej wartość rezystancji szeregowej jest równa zeru, natomiast dla fotodiody rzeczywistej, w zależności od zakresu widmowego, może wynosić od kilku do kilkuset omów.

Sygnał detektora (ang. detector signal). Sygnał detektora jest zwykle wartością napięcia lub prądu pojawiającego się na wyjściu detektora pod wpływem padającego promieniowania. Wartość sygnału zależy od napięcia zasilania detektora V_b, częstotliwości modulacji f, długości fali λ, strumienia mocy promieniowania Φ i powierzchni detektora A

(2.2)

Dla większości detektorów sygnał jest funkcją liniową mocy padającego promieniowania, gdy moc tego promieniowania jest mniejsza od pewnej wartości granicznej. Ponieważ tylko takie detektory są rozważane w niniejszej książce, więc stosunek V/(ΦA) jest stały przy określonych V_b, f i λ. W wielu wypadkach zależność sygnału od f i λ można rozdzielić.

W celu określenia charakterystyk czasowych detektora wykonuje się pomiary zależności wartości sygnału od częstotliwości modulacji promieniowania. Pomiary te prowadzi się przy stałej mocy promieniowania i stałej wartości napięcia zasilania. Z wykresu zależności sygnału detektora od częstotliwości można określić stałą czasową (patrz podrozdz. 2.2).

Zależność sygnału od długości fali (ang. spectral response) mierzy się przy określonej wartości napięcia zasilania i częstotliwości modulacji. Po ich znormalizowaniu do stałej mocy promieniowania przedstawia się je w formie wykresu zależności widmowej sygnału (np. czułości prądowej, wykrywalności, czy wydajności kwantowej) od długości fali.