О методике измерения дифференциального сопротивления фотодиодов на основе соединения InGaAsSb в широком интервале температур

УДК 621.383.4

О МЕТОДИКЕ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ФОТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ InGaAsSb В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР

В.В.Гаврушко, А.Н.Григорьев*, А.А.Сапожников

A METHOD FOR DETERMINING THE DIFFERENTIAL RESISTANCE OF PHOTODIODES ON THE BASIS OF INGAASSB IN A WIDE RANGE OF TEMPERATURES

V.V.Gavrushko, А.N.Grigor'ev*, А.А.Sapozhnikov

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Valery. Gavrushko@novsu.ru *ОАО «Планета-АРГАЛЛ», Великий Новгород

Описана методика определения дифференциального сопротивления неохлаждаемых фотодиодов на основе InGaAsSb, разработанная для измерений в широком интервале температур. В качестве малогабаритного датчика температуры использован прямосмещенный эмиттерный переход германиевого транзистора. Предложены две различные схемы измерения дифференциального сопротивления в области высоких и низких температур. Приведены результаты исследований в области температур от минус 60 до плюс 50°С.

Ключевые слова: дифференциальное сопротивление, фотодиод, температура, датчик

This article describes a method for determining the differential resistance of uncooled photodiodes on the basis of InGaAsSb designed for measurements in a wide range of temperatures. A forward-biased emitter junction of the Ge transistor is used as a small-sized temperature sensor. The authors offered two different schemes for measuring differential resistance to high and low temperatures. The research results considering the temperature range from -60 to +50°С are presented. Keywords: differential resistance, photodiode, temperature, sensor

Дифференциальное сопротивление (гд) фотодиодов является важнейшим параметром, величина которого определяет вольтовую и пороговую чувствительность фотоприемника, а также существенным образом сказывается на его согласовании с предуси-лителем. Дифференциальное сопротивление может сильно изменяться в зависимости от напряжения смещения и рабочей температуры. Как показано в работе [1], для фотодиодов на основе InGaAsSb наибольший интерес представляет режим работы с нулевым смещением, когда реализуются минимальные значения спектральной плотности шума. В рабочем интервале температур дифференциальное сопротивление может изменяться на три порядка, что вызыва-

ет трудности по его определению с невысокой погрешностью.

Исследование температурной зависимости дифференциального сопротивления проводилось в специально изготовленном термостате с точностью поддержания температуры не хуже 0,5 градуса. В качестве датчика температуры использован прямосмещенный эмиттерный переход германиевого транзистора. Использование такого датчика имеет преимущество перед обычно применяемыми для этих целей термопарами. Такой датчик характеризуется малыми размерами, высокой чувствительностью и хорошей линейностью температурной характеристики. Схема термодатчика представлена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная электрическая схема термодатчика

Через резистор О1 задавался ток эмиттерного перехода и вольтметром V измерялось напряжение. Была проведена экспериментальная градуировка датчика температуры с использованием следующих ре-перных точек: температуры жидкого азота (77,3 К), таяния льда (273 К), комнатных температур (измерялись аттестованным термометром ТЛ-1 с погрешностью не более 0,5 К) и температуры кипения воды (373 К). Зависимость напряжения на р-п переходе от температуры при токе 100 мкА приведена на рис.2.

ного сигнала U через резистор R на фотодиод подавалось напряжение с амплитудой 10 мВ, что существенно меньше контактной разноси потенциалов. Параллельно диоду подключался вольтметр, сопротивление которого намного превышало сопротивления диода, и его влияние на измерения можно было не учитывать.

Для уменьшения влияния внешних наводок резистор R номиналом 100 кОм помещался в металлический экранирующий корпус, генератор сигнала, делитель и вольтметр соединялись коаксиальными кабелями. Частота измерения составляла 800 Гц, при этом реактивное сопротивление кабелей можно было не учитывать. Величина дифференциального сопротивления диода определялась по формуле:

R ^Д

О _ _

д _ иг - и Д

где ид — падение напряжения на ФД, иг — напряжение на выходе генератора.

э 1 1 1 1 напряжен i 1 II 11« ИЛ Д1Г0Д

?

1

к

1

}

1

i I

А»

- -ь *т Т +

-г

1

1

á

L ч- L-H UU-U-1

Q6-

Ол-

S.2-

т 200 зоо да

Рис.2. Градуировочная зависимость термодатчика

Как видно из данного рис., эта зависимость линейна в исследованном интервале температур, что согласуется с теорией прямосмещенного р-п перехода [2]:

тт кТ Т

и _ техр( ТУ

В области низких температур дифференциальное сопротивление исследуемых диодов увеличивалось от единиц кОм до нескольких МОм. Схема, приведенная на рис.3, для измерения таких сопротивлений не подходит из-за возрастающей погрешности измерения (разница между входным и выходным

Для измерения низких значений дифференци ального сопротивления в области высоких темпера тур был использован стенд, электрическая схема которого приведена на рис.3. С генератора перемен-

Рис.4. Схема измерения дифференциального сопротивления ФД в области высоких температур

Рис.5. Температурная зависимость дифференциального сопротивления ФД для образцов с различным значением сопротивления при комнатной температуре

В такой схеме сопротивление резистора меньше дифференциального сопротивления диода, что позволяет с достаточной точностью определять падение напряжения на ФД. Дифференциальное

сопротивление определялось по зависимости:

1 * Ц - ик)

1 --и-,

^ I

где ик — напряжение, падающее на резисторе.

Результаты измерений сшивались в области комнатных температур. В качестве примера на рис.5 приведены результаты исследований для нескольких образцов, имеющих различное дифференциальное сопротивление (от 6 до 22 кОм) при комнатной температуре (25°С).

Таким образом, предложенная методика может быть успешно использована для измерения диффе-

ренциального сопротивления диодов в широком интервале температур. Кратность изменения величины дифференциального сопротивления может превышать три порядка.

1. Андреева Т . В., Гаврушко В. В., Кузюков С. Г. и др . Неох-лаяедаемое фотоприемное устройство для спектрального диапазона 1,8-2,4 мкм // Прикл. физика. 2005. №2. С.75-78.

2. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов / Пер. с англ; Под ред. А.Ф.Трутко. М.: Энергия, 1973. 656 с.

Bibliography

1. Andreeva T. V., Gavrushko V. V., Kuziukov S. G. i dr. Neokhlazhdaemoe fotopriemnoe ustroistvo dlia spektral'nogo diapazona 1,8-2,4 mkm // Prikl. fizika. 2005. №2. S.75-78.

2. Zi S.M. Fizika poluprovodnikovykh priborov / Per. s angl. Pod red. A.F.Trutko. M.: Energiia, 1973. 656 s.