Тепловые и квантовые приемники ИК - излучения

В настоящее время многочисленными фирмами одновременно разрабатывается и выпускаются значительное число приемников ИК – излучения.

Для промышленного применения в составе ИК – систем для ЛА наиболее предпочтительны из тепловых приемников микроболометры и прироэлектрики. Из квантовых приемников ИК – излучения – приемники, выполненные на основе сульфида свинца PbS, селенида свинца PbSe, силицида платины PbSi, теллурида кадмия – ртути.

В табл. 5.1 приведены основные характеристики тепловых приемников ИК – излучения, в табл. 5.2 – квантовых [10].

Таблица 5.1

Тепловые приемники ИК- излучения

Таблица 5.2

Таблица 5.2

Квантовые приемники ИК- излучения

Следует отметить некоторые особенности ряда приемников излучения. Фоторезистор InSb (антимонид индия) обладает низким уровнем шума, большим динамическим диапазоном, большим квантовым выходом, превышающим 80%, относительной дешевизной.

Силицид платины PtSi обладает высокой однородностью чувствительных элементов – для него неравномерность чувствительности в 100 раз меньше обычной для ИК – приемников – большим динамическим диапазоном, относительной дешевизной.

Теллурид кадмия ртути (КРТ) «видит» сквозь пыль и дым поля боя. Имеет сравнительно высокий квантовый выход – более 60%.

Ниже приводятся отдельные конкретные примеры, характеризующие технически достижимый промышленный уровень приемников ИК – излучения в настоящее время.

Характеристики теплового ИК – излучения на основе термистора [10]:

площадь фоточувствительного элемента приемника, см² - от 10^-4 до10^-1;

постоянная времени, мс - от 1,5 до 8,0;

сопротивление приемника, МОм - от 0,2 до 3,0;

чувствительность приемника, В/Вт - от 10² до 5∙10³;

температура чувствительного элемента, ºК - 300.

Спектральная характеристика обнаружительной способности приемника приведена на рис.5.2.

На рис. 5.2 видно, что обнаружительная способность термистора в диапазоне длин волн от 3 мкм до 16 мкм лежит в диапазоне 10⁸…1,5∙10⁸см∙Гц^1/2∙Вт^-1.

Тепловые приемники ИК – излучения на основе термопары и термостолбика в ИК – приборах автономных летательных аппаратов не используются из-за низкого значения их чувствительности: 5 В/Вт и 1…10В/Вт соответственно и большой постоянной времени – до 400 мс.

Из всего многообразия серийно выпускаемых фотонных приемников ИК – излучения ниже приводятся характеристики приемников излучения на основе сульфида свинца PbS, селенида свинца PbSe , антимонида индия InSb и теллурида кадмия – ртути HgCdTe. Примеры даны в последовательности, соответствующей возрастанию длины волны максимума спектральной чувствительности приемников излучения.

Характеристики приемника ИК-излучения с чувствительным элементом на основе сульфида свинца PbS при комнатной температуре чувствительного слоя 300 °К:

площадь фоточувствительного элемента приемника, см² – 4∙10^-6;

постоянная времени, мкс - от 100 до 500;

сопротивление приемника, МОм - 4;

чувствительность приемника, В/Вт -10⁶;

Спектральная характеристика обнаружительной способности приведена на рис. 5.3.

Из рис. 5.3. видно, что максимум обнаружительной способности лежит в районе λ = 2,5 мкм и составляет около 10¹¹см∙ Гц^1/2Вт ^-1. Максимальная граница чувствительного слоя лежит в районе λ =3,5 мкм.

При охлаждении чувствительного слоя приемника излучения жидким азотом 77 ºК максимальная граница чувствительности приемника расширяется до λ = 5 мкм.

Спектральная способность сульфида свинца при охлаждении чувствительного слоя жидким азотом 77 ºК дана на рис. 5.4.

Характеристики приемника излучения с чувствительным слоем на основе селенида свинца PbSe при комнатной температуре 300ºК [10]:

площадь чувствительного элемента, см² -10^-4;

постоянная времени, мкс ≤3;

сопротивление приемника, МОм - от 0,3 до 20;

чувствительность приемника, В/Вт, -10³.

Спектральная характеристика обнаружительной способности приведена на рис.5.5.

Максимум обнаружительной способности лежит в районе λ = 4 мкм и равен 10⁹…1,4∙10⁹ см∙Гц^1/2Вт^-1.

При охлаждении чувствительного слоя приемника излучения на основе селенида свинца жидким азотом 77 ºК, граница чувствительности расширяется до 7 мкм. Максимум обнаружительной способности увеличивается примерно до 10¹⁰…1,2∙10¹⁰ см∙Гц^1/2Вт^-1 (рис. 5.6).

Характеристики приемника излучения на основе антимонида индия InSb при комнатной температуре 300ºК [10]:

площадь чувствительного элемента приемника, см² – 25∙10^-4;

постоянная времени, мкс <1;

чувствительность приемника, В/Вт 5.

Максимальное значение обнаружительной способности составляет около 1,3∙10⁸см Гц^1/2Вт ^-1.

При охлаждении преобразователя «излучение-сигнал» на основе антимонида индия до 77 ºК чувствительность приемника резко повышается до 10⁵ В/Вт. Максимум обнаружительной способности возрастает до 10¹¹ см∙Гц^1/2Вт^-1.

Характеристика приемника излучения на основе теллурида кадмия – ртути (HgCdTe) [10]:

площадь чувствительного элемента, см² - от 4∙10^-6до 4∙10^-2;

постоянная времени, мкс - от 0,1 до 0,8;

сопротивление приемника, Ом - от 20 до 600;

чувствительность приемника, В/Вт - 10⁴;

температура чувствительного элемента, ºК - 77.

Спектральная характеристика обнаружительной способности дана на рис. 5.7. Граница чувствительности лежит в районе λ = 14мкм. Максимум чувствительности находится в районе 12 мкм. Максимальное значение обнаружительной способности составляет 10¹⁰см Гц^1/2Вт ^-1.

Частотная зависимость шума приемника дана на рис. 5.8.^.