МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОЇ

ПЛОЩІ ФОТОЧУТЛИВОГО ЕЛЕМЕНТА ФОТОДІОДА

Бутенко В.К., Докторович І.В., Годованюк В.М.; Рюхтін В.В., Юр’єв В.Г.

ВАТ “ЦКБ Ритм” м.Чернівці

В роботі розглянуто проблеми, які виникають при визначенні ефективної площі фоточутливого елемента фотодіодів за стандартизованою методикою та приведено методику з покращеними метрологічними характеристиками

При визначенні питомої порогової чутливості ( ) чи виявної здатності ( ) фотоприймача (ФП) враховується ефективна фоточутлива площа ( ) [1,2]. Згідно зі стандартом [2] площа визначається фотоелектричним методом, скануючи поверхню фоточутливого елемента (фче) світловим зондом з заданими в технічних умовах на фотоприймач розмірами. Розміри фче визначаються як різниця координат положення світлового зонда, при яких відбувається падіння фотосигналу до рівня 0.5·U_макс для ФП з прямокутною формою фче та до рівня 0.44·U_макс – для круглих площадок; U_макс – максимальне значення фотосигналу при проходженні зонда по фче. Сканування повинно проводитися вздовж осей симетрії.

При похибці визначення , яка не виходить за межі ± 8 % [2], в першому наближенні така методика задовільняє вимогам на проведення вимірювань параметрів серійних фотоприймачів широкого вжитку, в розрахунок яких вводиться величина ефективної площі. Проте, визначення за такою методикою ефективної площі ФП призначених для метрологічних цілей; для контролю допустимих норм шкідливих факторів електромагнітного випромінювання оптичного діапазону; для діагностики якості виробів та інших потреб з високими вимогами до метрологічних характеристик ФП, є недостатнім.

Розглянемо проблеми, які виникають при визначенні ефективної площі ФП при скануванні фче світловим зондом.

По-перше, на поверхні фоточутливого елемента фотоприймача є контактні площадки. На рисунку 1 зображено ФП, на поверхні фче якого нанесена непрозора контактна площадка (поз.2).

При геометричному розмірі фче рівному 2 мм (Ø_фче = 2 мм) та типових розмірах контактної площадки (0.2×0.2) мм, площадка займає 1.3 % площі фоточутливого елемента. Не врахувавши цієї площі, ми додаємо до загальної відносної похибки вимірювання, наприклад чутливості, похибку, яка складає 1.3 %. Звісно, що ця похибка суттєво зменшується при збільшенні діаметра фче, наприклад, для ФП з діаметром фче рівним 4 мм похибка складатиме приблизно 0.3 %.

При визначенні ефективної площі ФП може бути допущена суттєва випадкова похибка. Оскільки віссю симетрії круглого фоточутливого елемента є його діаметр, то вибравши випадково вісь сканування вздовж діаметра, на якому розташована контактна площадка, буде допущена похибка при визначенні діаметра, а відповідно і площі фче. В цьому випадку додаткова похибка складе 19.1 %.

По-друге, для покращення порогових властивостей та енергетичної характеристики чутливості ФП в конструкцію деяких фотоприймачів вводиться контакт у вигляді кільця. При вимірюваннях параметрів ФП за розміри фче беруть розміри обмежені внутрішньою частиною кільцевого контакту. Проте, між кільцевим контактом та геометричним краєм фче є зазор в 0.05 – 0.1 мм. На рисунку 2 приведено координатну залежність фотосигналу І_с = f(Х). Як бачимо, на виході ФП є фотосигнал з тієї частини фче, яка знаходиться за межами контактної площадки. Амплітуда фотосигналу, а відповідно додаткова похибка при визначенні ефективної площі ФП, залежать від розмірів фче та світлового зонда. При скануванні зондом 0.1 мм фоточутливих елементів діаметром 2 – 10 мм додаткова похибка складе 2 – 5 %.

По-третє, за геометричними межами фоточутливого елемента фотоприймачі, в першу чергу фотодіоди, чутливі до падаючого потоку випромінювання. Це явище завжди має місце, якщо не використовувати затемнення кристалу за межами р-n переходу. Дійсно, довжина (L) дифузії неосновних носіїв заряду (н.н.з.) в залежності від матеріалу може бути від 0.015 до 1.0 мм. Тому н.н.з., що генеруються падаючим випромінюванням, доходять до р-n переходу і дають свій внесок у фотострум. Зрозуміло, що чим більше значення L, тим більший внесок переферійної чутливості.

Крім того, при створенні р-n переходу вноситься домішка і це зменшує чутливість за рахунок рекомбінації на домішкових центрах.

На рисунку 2 показано координатну залежність фотосигналу кремнієвого фотодіода типу ФД255. Хоча рівень фотосигналу за межами фче значно менший від сигналу в межах геометричних розмірів, проте, при засвітці всієї поверхі фотоприймача матимемо 2 – 4 % додаткового сигналу, який призводить до завищення результатів вимірюваного параметра.

Переферійна чутливість може бути незначно меншою від чутливості в межах чутливого елемента. Так у германієвого фотодіода ФД-287 з концентрацією домішки в області р-n переходу ~ 10¹⁹ см^-3 і L ≈ 0.1 мм переферійна чутливість приблизно рівна чутливості в межах фче і додатковий сигнал призведе до ще більшого завищення результатів вимірювання. Для прецезійних вимірювачів світлових величин такі додаткові похибки є недопустимо великими.

Інколи від переферійної чутливості позбавляються металізацією площі за межами фче. Проте, такий технологічний прийом також не вирішує проблеми покращення точності визначення , так як виникає інша проблема – з’являється багатократне перевідбивання випромінювання між металевим покриттям та вхідним вікном. Чорніння такого покриття або використання чорненої діафрагми значно удорожчує вироби.

Четверте, ефективна фоточутлива площа ФП, за визначенням, є площа фче еквівалентного по фотосигналу ФП, чутливість якого рівномірно розподілена по фче і рівна номінальному значенню локальної чутливості даного ФП [3]. Проте, ФП мають певну нерівномірність чутливості по поверхні фче, яка є наслідком локальних дефектів кристалу та поверхні ФП. Зрозуміло, що визначення ефективної площі ФП ускладнюється, особливо, для ФП з високою нерівномірністю чутливості по поверхні фче. В цьому випадку проводиться сканування світловим зондом всієї поверхні фче і визначається величина ефективної фоточутливої площі ( ) за співвідношенням [3]

(1)

де - чутливість ФП при опроміненні фче точковим зондом з координатами (x,y); А - площа фче; в якості номінального значення локальної чутливості , як правило, вибирається максимальна чутливість точки в центрі фче (в точці x₀,y₀).

Проте, така методика є малопродуктивною та складною в обробці результатів.

Отже, з врахуванням розглянутих додаткових похибок до похибки визначення , яка становить ± 8 %, додається похибка від 6 до 8 %.

На відміну від вищеописаної стандартизованої методики вимірювання ефективної площі з її недоліками, пропонується методика, яка основана на методі порівняння площ. Структурна схема установки для вимірювання приведена на рисунку 3

Для реалізаціїї даної методики в площині фоточутливого елемента ФП створюється рівномірне світлове поле в 2 – 3 рази більше за більший із розмірів фче. Рівномірності потоку випромінювання добиваються зміною відстані між ФП та джерелом випромінювання. Так, використовуючи в якості джерела випромінювання лампу розжарювання типу РН12-100, на відстані більшій одного метра нерівномірність освітленості в діаметрі 45 мм не перевищує ± 1 %.

Оскільки вихідний фотосигнал фотоприймача пропорційний площі фоточутливого елемента, то, установивши перед вхідним вікном ФП діафрагму товщиною 0.3 – 0.5 мм з розмірами в 1.3 – 1.4 рази меншими геометричних розмірів фче, отримаємо усереднене значення фотосигналу . Тобто, в цьому випадку враховується вплив нерівномірності чутливості по поверхні фче.

На рисунку 4 схематично показано положення діафрагми 1 при засвітці ФП 2 потоком Ф.

Якщо ефективна фоточутлива площа ФП - є площа фче еквівалентного по фотосигналу ФП, чутливість якого рівномірно розподілена по фче, то знявши діафрагму ми отримаємо фотосигнал саме такого, еквівалентного по фотосигналу, фотоприймач. Іншими словами, при вимірюванні таким чином фотосигналу враховуються вплив контактної площадки та чутливості за геометричними межами фче на результат визначення .

Величина ефективної фоточутливої площі визначається за співвідношенням

(2)

де - площа діафрагми.

З врахуванням того, що площа діафрагми може бути визначена з похибкою не більшою ± 0.5 %, вимірювання фотосигналів – не більшою ± 1 %, то загальна похибка вимірювання ефективної площі не вийде за межі ± 1.5 %.

Необхідно зазначити, що дана методика також має обмеження - складно визначити фотоприймачів з розмірами фче меншими 1 мм, так як ускладнюється якісне виготовлення діафрагми, точне визначення її площі та юстування діафрагми над фоточутливим елементом фотоприймача.

Висновки:

1. Приведено аналіз причин збільшення загальної похибки вимірювань ефективної площі фоточутливого елемента фотодіода за стандартизованою методикою.

2. Визначено числові величини додаткових похибок.

3. Приведено методику вимірювань ефективної площі фоточутливого елемента фотодіода з меншою загальною похибкою вимірювань та вказані обмеження її використання.

Література:

1. Н.В.Васильченко, В.А.Борисов и др., Измерение параметров приемников оптического излучения/ М., «Радио и связь», 1983, с.54.

2. ГОСТ 17772-88 ПРИЁМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. М. 1988 г.

3. ГОСТ 21934-83 ПРИЁМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ