3.1.3 Разработка и исследование характеристик фотоприёмников на эффекте фотонного увлечения дырок в германии

Использование охлаждаемых фотосопротивлений из германия, легированного золотом, типа ФСГ-22 в данной схеме позволяло получить лишь качественные результаты, так как ФСГ-22, созданные для использования в информационных системах, обладают значительной чувствительностью (приблизительно 3 В/Вт).

Их основные технические параметры:

- временное разрешение τ - до 10 ¹⁰с,

- большой динамический диапазон (10÷10⁷Вт/см²),

- возможность работы при комнатной температуре,

- чувствительность порядка 0,l÷l В/МВт.

Временная постоянная этих приёмников определяется с помощью простой формулы (3.1)

где: п - показатель преломления,

L - длина рабочего монокристалла фотоприёмника,

1 - крышка, 5 - рабочий кристалл,

2 - корпус 6 - переключатель изменения рабочей

3 - крышка длины кристалла,

4 - держатель кристалла 7 - коаксиальный разъем

Рисунок 3.6 - Общий вид фотоприемника на фотонном увлечении дырок в германии

К многочисленным достоинствам этих приборов могут быть отнесены: стабильность параметров, высокая помехоустойчивость, возможность изготовления приёмников с большой площадью приёмной площадки, что позволяет их использовать не только в качестве измерителей формы импульса и мгновенной мощности, но и энергии лазерного импульса.

описывается формулой (3.2) [320]

где C = е х (- Tj₁х Vj₁ + Tlх Vl) - константа образца,

- групповые скорости тяжёлых и лёгких дырок, соответственно,

- времена релаксации импульсов в двух системах дырок,

- заряд электрона,

- пиковая плотность мощности лазерного импульса,

■ удельное сопротивление кристалла,

S - площадь приёмной площадки,

R_i- коэффициент отражения от поверхности приёмника,

- постоянная Планка,

ω - угловая частота лазерного излучения,

а - коэффициент поглощения рабочего перехода.

Для получения максимального значения ЭДС - V требуется оптимизация образца по следующим параметрам: удельному сопротивлению, площади приёмной площадки и длине кристалла.

Так как к моменту начала описываемого ниже эксперимента, эти приёмники находились в стадии разработки и отечественной промышленностью не выпускались, то мы изготовили фотоприёмник самостоятельно. Общий вид этого прибора схематично показан на рисунке 3.6. Основным элементом фотоприёмника является стержень монокристалла германия с удельным сопротивлением р = 7 Омхсм. Размеры стержня - 10?10?60 мм³. На боковой грани кристалла нанесено 7 омических контактов, что позволило снимать ЭДС фотонного увлечения с участков стержня различной длины, варьируя тем самым чувствительность прибора и его временное разрешение. Для защиты от электромагнитных помех кристаллический стержень был помещён в стальной корпус с переключателем, позволяющим снимать ЭДС с участков разной длины.

а) - Вольт-ваттные характеристики фотоприемника

б) - Зависимость выходного сигнала фотоприемника от сопротивления сигнала

в) Форма лазерного импульса, измеренная фотоприемником (1 мкс/дел)

Рисунок 3.7 - Характеристики фотоприёмника

Калибровка фотоприёмника проводилась путём измерения его вольт-ваттных характеристик на шести различных длинах рабочей зоны кристалла (рисунок 3.7 а). Была также исследована зависимость выходного сигнала V от сопротивления кристалла - г (рисунок 3.7 б). Измерения этих параметров проведены в диапазоне мощностей воздействующего излучения 10⁵÷10⁷Вт. Видно, что при Wpi ≤ 5 МВт/см², вольт- ваттные характеристики приёмника линейны.

Линейны также зависимости V = f(r) при фиксированном уровне мощности, то есть работа данного прибора возможна на любом из шести диапазонов. Наиболее высокая чувствительность F, как и следует из формулы (3.4), наблюдается при максимальной рабочей длине германиевого стержня

Как показывают результаты совместных испытаний, значение F, измеренное на изготовленном нами приборе, не уступает фоточувствительности аналогичных приёмников, изготовленных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе [323]. Изготовленный нами фотоприёмник имеет существенное отличие от известных аналогов - регулировку рабочей длины монокристалла, что позволяет, исходя из потребностей решаемой задачи, либо увеличивать временное разрешение приёмника, обратно пропорциональное рабочей длине германиевого стержня, либо повышать его чувствительность, прямо пропорциональную этому размеру. Использование приёмника с перестраиваемой рабочей длиной кристалла расширяет диапазон применений прибора в наносекундной области. Поэтому он может заменить, используемый ныне, комплект идентичных, но сменных приборов [320]. Второй приёмник, использовавшийся в описываемом ниже эксперименте, был любезно предоставлен нам И.Д. Ярошецким, которому автор выражает глубокую признательность.