УДК 621.383.45:621.373.826

          Рассмотрена возможность применения относительно низкочастотных фоторезисторов на основе КРТ n-типа для регистрации импульсов излучения СО₂-лазера длительностью до 10 нс. Рассчитаны амплитудно- частотные характеристики квазиоптимального фильтра.

          В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной оптико-электронной промышленности для приема импульсов СО₂-лазера применяются фотодиоды на основе твердого раствора Cd_xHg_1-xTe (КРТ).
          При разработке ряда комплексированных приборов (тепловизор-дальномер, теплопеленгатор-дальномер и т. д.) представляет практический интерес возможность использования одного и того же базового фоточувствительного элемента для приема достаточно коротких (до 10 нс) импульсов излучения. В связи с этим была рассмотрена возможность применения относительно низкочастотного фоторезистора для приема импульсного излучения СО₂-лазера.
          Основой для предложений о возможности применения таких ФЭПП являются следующие априорные данные: высокая вольт-ваттная чувствительность, низкое темновое сопротивление, а также техническая возможность реализации шумов самого фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения (ФЭПП).
          Целью статьи является рассмотрение возможности регистрации импульсов излучения на длине волны 10,6 мкм длительностью 20-200 нс с пороговой чувствительностью ФПУ на основе относительно низкочастотного КРТ фоторезистора ~10^-8 Вт, а также определения основных требований к предусилителю, обеспечивающему оптимальную (квазиоптимальную) обработку сигнала и шума.
          Типовая эквивалентная схема включения фоторезистора для малого переменного сигнала представлена на рис. 1 [1]. В соответствии с эквивалентной схемой напряжение сигнала и спектральная плотность шума на входе предусилителя (ПУ) может быть записана в следующем виде:

(1)

(2)

где C_S - суммарная емкость ФЭПП и ПУ;
          r - тепловое сопротивление ФР;
          v - круговая частота;
          Р_lw - падающая на ФР мощность излучения;
          R - входное сопротивление;
i²_шпу, е²_шпу - приведенные спектральные плотности шумовых токов и ЭДС ПУ;
          S_u(w) - вольтовая чувствительность на частоте w;
          Sфp(w) - спектральная плотность генерационно-рекомбинационного (г-р) и теплового шума ФР;
          k - постоянная Больцмана;
          Т - абсолютная температура.

          Частотная зависимость вольтовой чувствительности и спектральной плотности шума фоторезистора, без учета шумов 1/f, имеет вид

Suw = Suo / 1 + jwt,

(3)

Sфр(w) = V2г-р / 1 + w2 t2 + 4kTpr,

(4)

          где t - постоянная времени фоторезистора;
          Т_р - рабочая температура ФЭПП;
S_uo и U_г-p - вольтовая чувствительность и напряжение г-р-шума в области "плато".
          В случае, когда темновое сопротивление ФЭПП достаточно низкое (< 50 Ом), для приема импульсов с Т_0,5 < 1 мкс формулы (1) и (2) легко приводятся к виду, обычному для импульсных ФПУ на основе фотодиодов [1]:

Uc(w) = PlwSuo / 1 + jwt;

(5)

S(w) = (U2г-p + е2шS) (1 + w2<t 2ш) /1 + w2 t2 ,

(6)

где

е2шS = 4kTpr + е2шпу + i2шпуr2; tш = t це2шпу / е2шпу + V2г-р = tk.

(5a)

          Как известно, величина t_ш/2T_0,5 в значительной степени определяет пороговую чувствительность ФПУ, оптимальную полосу пропускания, а также возможную степень реализации параметров самого фотоприемника, в рассматриваемом случае: S_uo, U_г-p.
          Общее выражение для порогового потока при регистрации фотоприемным устройством импульсного излучения мощностью

где Р_о - амплитуда импульса излучения;
          Т_0,5 - длительность импульса излучения по полувысоте имеет вид:

(7)

          При t_ш/2Т_0,5 < 0,5 выражение для порогового потока упрощается

(8)

          При t_ш/2Т_0,5 > 3

(9)

          Для проведения оценочных расчетов по приведенным соотношениям воспользуемся типичными значениями параметров:
          t ~ 200-700 нс, U_г-р ~ 3-7 нВ/Гц^1/2, S_uo ~ 10^-5 В/Вт. ЭДС шума современных усилителей
е_шпу = 1-2 нВ/Гц^1/2; в этом случае i_шпу r << е_шпу. Величина t_ш/2Т_0,5 может меняться от 0,19 до 14,5.
          На рис. 2 приведена расчетная зависимость Р_l от длительности входного сигнала для типовых параметров фоторезистора, показывающая предельные возможности его реализации.

          Как следует из расчетов, значения пороговой импульсной чувствительности ФПУ с указанными выше параметрами составляет 10^-8-10^-9 Вт. По аналогии с [1] легко найти квазиоптимальную реализацию фильтра в ФПУ с фоторезистором

к(jw) = 1 + jwt / (1 + jwtш)

(10)

          Расчетные зависимости [к(jw)] приведены на рис. 3. Очевидно, что вместо корректирующей цепи (10) можно использовать обычную дифференцирующую и интегрирующую цепи с постоянными времени t_ш. Поскольку длительность выходного сигнала для описываемого фильтра будет превышать t_ш, что не всегда приемлемо в практической дальнометрии для случая t_ш/Т_0,5>1, возможно рассмотрение второго RC-фильтра, обеспечивающего двойное расширение переднего фронта выходного сигнала (t_max = 2 Т_0,5) и имеющего коэффициент передачи с постоянной времени a = 0,42·2Т_0,5 вместо t_ш [1].

          В этом случае пороговая чувствительность ФПУ с таким фильтром описывается следующим выражением:

(11)

          Расчетная зависимость Р_l по (11) приведена на рис. 4. Пороговая чувствительность ФПУ для импульсов 20-200 нс составляет 10^-8 - 10^-10 Вт.

          Приведенные расчеты справедливы для случая, когда величины и частотные зависимости вольтовой чувствительности и г-р-шума фоторезистора определяются одним эффективным временем. Это справедливо в случае, если в объеме полупроводника отсутствуют уровни прилипания и неоднородное распределение фотоносителей между контактами [2].
          В последние годы разработана и широко применяется для фоторезисторов на основе КРТ технология с "теневыми" контактами. В таких приборах расстояние между контактами L много больше линейных размеров фоточувствительной площадки (D). В работе [3] было показано, что в этом случае эффект "вытягивания", характерный для малоразмерных фоторезисторов, ослабевает, эффективная постоянная времени фотоприемника увеличивается и, следовательно, увеличиваются значения S_uo, U_г-р и r. Применение таких фоторезисторов в составе ФПУ упрощает задачу регистрации импульсов излучения благодаря уменьшению t_ш. Кроме того, применение ФЭПП с "теневыми" контактами позволяет уменьшить напряжение постоянного смещения, что особенно важно для многоэлементных ФЭПП [4].
          В качестве примера рассчитаем пороговый поток и амплитудно-частотную характеристику оптимального фильтра по полученным соотношениям (7, 10, 11) для ФЭПП со следующими типичными параметрами: U_г-р=5 нВ/Гц^1/2, S_uo= 10⁵ В/Вт, t = 400 нс. Приведенная ЭДС шума на входе предварительного усилителя е_шпу = 3 нВ/Гц^1/2. Определим пороговый поток для Т_0,5 = 50 нс:
          Определяем t_ш по отношению

          Определяем коэффициент В из выражения

          По графикам (см. рис 2 или 4) определяем Р_l/В для t_ш = 200 нс и Т_0,5 = 50 нс.

          Определяем Р_l:

          1. Показана возможность эффективной регистрации коротких импульсов излучения относительно низкочастотных фоторезисторов. При этом ФПУ на основе ФР из КРТ с типовыми характеристиками может обеспечивать Р_пор ~ 10^-8 - 10^-10 Вт для Т_имп = 20-50 нс на длине волны 10,6 мкм.
          2. Определены основные требования к коэффициенту передачи и шумовым параметрам ФПУ, обеспечивающего оптимальное выделение сигнала для рассматриваемой задачи.
          3. Показано, что наиболее предпочтительными для регистрации импульсных сигналов являются фоторезисторы на основе КРТ, изготовленные по технологии с "теневыми" контактами.

          Л и т е р а т у р а

          1. Т р и ш е н к о в М. А. Фотоприемные устройства и ПЭС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М.: Радио и связь, 1992.
          2. Л у к ь я н ч и к о в а Н. Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах. - М.: Радио и связь, 1990.
          3. S m i t h D. L.//J. Appl. Phys. 1983. V. 54. N 9. Р. 5441-5448.
          4. Д р у г о в а А. А., Х о л о д н о в В. А., Ф и л а т о в А. В. Оптимизация геометрической структуры фоторезисторов на основе КРТ при неоднородном освещении в температурном диапазоне 20-100 К//ВОТ. Сер. 11. 1998. Вып. 2 (133)-3(134). С. 33-37.

          Possibility of relatively low frequency MCT based n-type photoconductor using for detection of CO₂-laser pulses with duration up to 10 ns is considered. Amplitude-frequency characteristics of quasy-optimal filter are calculated.

Содержание журнала "Прикладная физика" N 3, 1999 г.