Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение сла­бых оптических сигналов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ИЛИ. ПОХВАЛА ФОТОПРИЕМНИКУ И — ФОТОПРИЕМНОМУ УСТРОЙСТВУ

_ Подошла к концу книга — история о том, как ФПУ обнаруживает пре­дельно слабый оптический сигнал. В многообразии современных ФПУ прояв­ляется единство: по своим функциональным и структурным схемам все они ■являются обнаружителями и включают в свой состав детектор, фильтр-усили-

Тсль (накопитель), иногда пороговое устройство, а многсэлемснтные ФПУ__________

И коммутатор. На' протяжении всей книги в роли дирижера выступала теория обнаружения: она определяла методы синтеза ФПУ и способы минимизации. его шума, задавала оптимальную полосу фильтра и правило принятия реше - - ния о наличии сигнала. Хотя за пороговые характеристики ответствен весь тракт обработки сигнала, первую скрипку всегда играет ФП. Под его полное сопротивление н уровень шума подстраивают входные цепи, систему охлаж­дения и блок питания, обеспечивают нужную температуру и режим. В этих условиях ФП выполняет возложенную на него миссию—детектирует оптиче­ский сигнал почти без потерь, зачастую не внося собственных шумов. По­этому в качественных ИК ФПУ (работающих выше 2 мкм) преобладают шумы теплового фона, а в коротковолновых (ниже 1 мкм) —-шумы усилите­ля. На помощь шумящему усилителю приходит ФП (ЛФД): он выполняет также функцию усиления, за счет умножения «вытаскивает» и сигнал, и свой собственный шум из шумов входного каскада. Однако при этом возникают избыточные шумы умножения. После усовершенствования ЛФД дает возмож­ность перейти в счетный режим — регистрации единичных квантов. При этом полностью реализуется принцип счета, заложенный в самой сути внутреннего ■фотоэффекта. Таким образом, совершенные ФПУ близки к теоретическому пределу. Минимальная обнаруживаемая оптическая мощность является фун­даментальной величиной, она не ограничивается ни шумами ФП, ни шумами ФПУ, лимитируется либо флуктуациями теплового фона, либо квантовым ха­рактером излучения.

Однако заключение не имеет права превратиться из оды в эпитафию по ФП и ФПУ. Будем верить в дальнейшее развитие фотоэлектроники и высокой технологии. Сегодня продолжаются поиск и разработка новых фоточувстви - тельных структур (на сложных соединениях, сверхрешетках), малошумящих лавинных структур с умножением одного типа носителя (на длины волн

1, 3 мкм и вышё). Решаются сложные задачи обнаружения слабых сигналов в ИК'Линеиках и матрицах в условиях как малых, так и больших фонов. Со­вершенствуется конструкция, расширяются функции ФПУ — вводятся цифро­вые методы, обработка изображений.

Служение этой области техники, обнаружение предельно слабого оптиче­ского сигнала — не только многотрудная, но и благодарная задача.

[1] В современных ПЗС верхний металлический слой заменен проводящим поликремнием, однако термин «МДП-структура» или «МОП-структура» уметалл — окисел — полупроводник) сохранился.

[2] При коротковолновом излучении, когда энергия фотона превышает две ширины запрещенной зоны, возможна генерация одним фотоном двух пар; в этом случае говорят, что внутренний квантовый выход ра­вен двум [31].

[3] 2

, < __ I ;2 / с (/) + ХИ] (/) ^2 / ,* 7ТЧ /О ОЛ

Ш (*) о - (/) —' 2 с (У) = £щ 5 (У). (2.34)

Поставленная выше задача выполнена —- связь между сред­ними квадратами 12ш{£) и г'ш(/) найдена. И эта связь физически совершенно очевидна: средний квадрат шума в любой момент времени равен действующему значению гармоники (половине среднего квадрата ее амплитуды). Таков вклад в шум одной гармоники.

Теперь можно перейти к основной характеристике, которой посвящен настоящий раздел, — к спектральной плотности мощ­ности шума. Так как момент первого порядка — среднее значе­ние спектра шумовой реализации /Ш(И равно нулю, то в каче­стве характеристики шума выбираем момент следующего вто­рого порядка — средний квадрат, т. е. действующее значение гармоники гш2(/)/2. Поскольку речь идет о спектральной плот­но

[4] Мы уже два раза использовали нулевое значение функции корреляция

Для независимых величин: полагали (2.30), (2.38) im с (/) ims (/)~0*