СПОСОБ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ФОТОДИОДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
METHOD FOR THERMAL STABILISATION OF PHOTODIODE FOR MEASUREMENT OF ELECTRICAL CHARACTERISTICS THEREOF

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода с целью более точного определения внутренней квантовой эффективности.
Известен способ термостабилизации [1], который реализуется в устройстве, содержащем фотодиод, включенный в фотогальваническом режиме и преобразователь ток-напряжение. Фотодиод и резистор обратной связи помещены в термостат и находятся в тепловом контакте с нагревателем и датчиком температуры термостата. Один из электродов фотодиода подключен к общей шине, а второй - ко входу преобразователя ток-напряжение и входу резисторов обратной связи, выход обратной связи соединен с выходом преобразователя ток-напряжение. Выход датчика температуры термостата подключен ко входу источника опорного напряжения и усилителю пропорционального регулятора, выход которого соединен со входом нагревателя.
Недостатком данного способа является то, что в устройстве, его реализующем, содержится дополнительный транзистор, используемый как датчик температуры, кроме того, возникающий градиент температуры между фотодиодом и датчиком температуры приводит к понижению точности поддержания температуры термостабилизации фоточувствительного элемента.
Известен способ термостатирования [2], являющийся наиболее близким к описываемому способу. В основе способа лежит использование фотоприемного устройства, содержащего фоторезистор, подключенный к инвертирующему входу усилителя, выход которого соединен со входом цепи усреднения, включенной на вход функционального преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующим входом усилителя, между инвертирующим входом усилителя и выходом цепи усреднения включен резистор, а второй выход фоторезистора подключен к общей точке источника питания.
При реализации этого способа датчиком температуры, формирующим термокомпенсационное воздействие, является сам фоточувствительный элемент, что повышает точность и упрощает устройство. Недостатком этого способа является то, что при этом не исключаются погрешности, вызванные температурными изменениями сигналов, которые можно уменьшить только термостатированием
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в том, чтобы повысить точность измерений электрических характеристик фотодиода и, в частности, повысить точность определения внутренней квантовой эффективности.
Решение данной задачи достигается за счет осуществления термостабилизации фотодиода в процессе измерения его электрических характеристик по предлагаемому в изобретении алгоритму, при этом в качестве термодатчика и управляющего элемента термостабилизации используется сам исследуемый фотодиод, что также позволяет упростить измерительную установку и снизить количество факторов, влияющих на точность измерений.
Таким образом, последовательность действий при реализации предлагаемого способа состоит в следующем: измеряют электрическую характеристику фотодиода в выбранной последовательности точек с контролем температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений, при этом согласно изобретению из выбранной последовательности точек выбирают реперную точку вблизи максимального значения тока или напряжения при начальной температуре; последовательно для каждой следующей точки проводятся измерения тока или напряжения, каждый раз после этого возвращаясь в реперную точку, при этом термостабилизация осуществляется следующим образом: после возврата в реперную точку определяют относительное изменение температуры фотодиода путем измерения (или оценки) смещения реперной точки от исходного положения при постоянной величине силы тока или напряжения, причем в качестве датчика температуры, т.е. управляющего элемента термостабилизации, используют исследуемый фотодиод; путем изменения температуры фотодиода, добиваются возврата реперной точки в исходное положение, тем самым возвращая температуру фотодиода к ее начальному значению и обеспечивая повышение точности измеряемой электрической характеристики фотодиода.
При измерениях электрических характеристик фотодиода внешнего температурного контроля недостаточно, поскольку нельзя точно контролировать температурные изменения на самом фотодиоде, что проявляется в нарушении повторяемости результатов при изменении на нем напряжения. В результате протекания тока фотодиод является источником тепловыделения, и его температура должна отличаться от температуры охлаждающего элемента. Полностью избавиться от этого эффекта невозможно, можно только уменьшить влияние такого нагрева.
В основу предлагаемого способа термостабилизации положено условие постоянства температуры на границе подложка фотодиода - поверхность охлаждающего элемента. Это можно реализовать за счет большой разницы в постоянных времени установления температурного равновесия в фотодиоде и охлаждающем элементе. Такой подход позволяет при необходимости учесть даже существенный нагрев полупроводника, поскольку известны граничные условия тепловой задачи.
Суть способа заключается в следующем. Для каждой электрической характеристики выбирается реперная точка с известными значениями силы тока или напряжения на фотодиоде вблизи максимальных их значений, чтобы его случайные флуктуации не сказывались на результате. Калибровка электрической характеристики в реперной точке выполняется после установления температурного режима в течение некоторого времени. Поскольку фотодиод является полупроводником, его можно использовать в качестве термодатчика. Отклонения силы тока или напряжения от калиброванного значения характеризуют относительные отклонения температуры в системе фотодиод - термостат от равновесного калиброванного распределения.
После выбора реперной точки обратная связь между термосопротивлением и термостатом прерывается и в дальнейшем управление температурным режимом осуществляется с использованием разности между измеренной силой тока на фотодиоде и его значением в реперной точке. Термосопротивление служит для определения температуры только в момент измерения.
Таким образом, процедура измерений электрических характеристик представляет собой несколько последовательно сменяющих друг друга стадий. В течение первой стадии напряжение источника устанавливают по откалиброванному значению для выполнения термостабилизации. При достижении критерия термостабилизации, при котором отклонение измеряемой силы тока не должно отклоняться больше, чем на фиксированную малую величину относительно откалиброванного значения, первая стадия заканчивается. На второй стадии устанавливается напряжение источника, необходимое для измерения следующей точки электрической характеристики, управление термостабилизацией отключается и температура термостата измеряется с помощью термосопротивления. Через некоторое время измерения прекращаются и вторая стадия заканчивается, после чего вновь включается термостабилизация и процесс повторяется.
Измерение силы тока на фотодиоде при постоянном напряжении более предпочтительно для измерения температуры, чем измерение напряжения на фотодиоде при постоянном токе, поскольку температурная зависимость силы тока нелинейная в отличие от аналогичной зависимости напряжения. Однако в рассматриваемом случае это не имеет значения, поскольку температура корректируется относительно откалиброванного значения тока в реперной точке.
Таким образом, включение самого исследуемого фотодиода в качестве датчика температуры и управляющего элемента в систему термостабилизации позволяет значительно повысить точность таких измерений. Благодаря применению предложенного способа термостабилизации погрешность измерения напряжения и тока на фотодиоде уменьшается на несколько порядков.
Способ найдет широкое применение в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения с помощью полупроводниковых фотодиодов в широких динамическом и спектральном диапазонах, вплоть до уровней счета фотонов.
Литература
1. Широкоапертурный прецизионный фотоприемник. ПТЭ, №1, 1999 г., с.101-104.
2. Свидетельство на полезную модель №27220, БИ №1, 2003 г., М. кл. G01J 1/44.