CC BY
23
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
А
УДК 681.518.3
В. Н. РОГОВ, В. А. СЕРГЕЕВ, Ю. А. ЩЕРБАТЮК, И. В. ФРОЛОВ
аппаратно-программный комплекс для исследования шумовых процессов в светоизлучающих диодах
Описана структурная схема, рассмотрел алгоритм работы и приведены основные характеристики аппаратно-программного измерительного комплекса, позволяющего исследовать связь электрических и оптических шумов светоизлучающих диодов в диапазоне частот от 1+50 кГц и токов
5 • 10~6 -г-10~2 А.
Ключевые слова: Светодиод, электрические шумы, оптические шумы, корреляционная функция.
Исследование шумовых свойств светоизлучающих диодов (СИД) представляют интерес по нескольким причинам: шумы СИД определяют нижнюю границу чувствительности устройств и систем с использованием СИД; флуктуации тока и интенсивности излучения СИД несут информацию о физических процессах в приборных структурах; шумовые характеристики СИД весьма чувствительны к внешним факторам и могут использоваться в полифункциональных датчиках и т. д. При этом представляет интерес совместное исследование электрических шумов тока накачки СИД и флуктуаций интенсивности излучения, поскольку характеристики связи электрических и оптических шумов СИД исследованы недостаточно.
Для измерения и исследования шумов СИД разработан аппаратно-программный комплекс, структурная схема которого показана на рис. 1. Запись реализации шумовых сигналов производятся в дискретной форме программной среде SPECTRLAB, с последующей обработкой полученных данных в программах Excel и MATHCAD, являющихся приложениями Windows 9x/NT/2K/XP. Экспериментальный комплекс позволяет записывать и исследовать НЧ шумы в диапазоне частот 1-^50 кГц, получаемые одновременно по двум независимым каналам. Канал 1 содержит устройство задания тока накачки СИД, предварительный усилитель электрических шумов и усилитель сигнала (селективный вольтметр Unipan 232). Канал 2 состоит из предварительного усилителя и усилителя сигнала (селективный вольтметр В6-9). В обоих канал
предварительный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель, выполненный на ма-лошумящих полевых транзисторах КП303Т. В качестве фотоприёмника в канале 2 используется фотодиод ЛФД-2А.
Модулем сбора данных является звуковая плата компьютера Realtek High Definition Audio с частотой дискретизации 200 кГц. Использование двух каналов платы обеспечивает возможность исследования корреляционных связей шумами тока накачки и флуктуациями интенсивности излучения СИД.
Алгоритм работы комплекса состоит в следующем. Шумовые сигналы непрерывно поступают на входы звуковой платы. По сигналу запуска программа SPECLAB в течение заданного интервала времени (длительностью до 2 с) оцифровывает шумовые сигналы с тактовой частотой 200 кГц, то есть с шагом дискретизации
At =5 мкс, далее записывает и сохраняет полученный файл в отдельную папку на жёстком диске компьютера. На рис. 2 представлены фрагменты шумовых сигналов длительностью 10 мс гетерепереходного голубого СИД №11 на основе InGaN/SiC: внизу шум тока накачки СИД (сигнал
/(/) по каналу 1); вверху - шум интенсивности
излучения (сигнал P{t~) по каналу 2). Дискретные отсчёты амплитуды шумового тока
|/ ( ]At)\ и амплитуды шума интенсивности
излучения )Г1\11Л1)^ переводятся с помощью
табличного редактора в файл формата сЫ, а затем переносятся в программу МАТНСАР.
В. Н. Рогов, В. А. Сергеев,
Ю. Н. Щербатюк, И. В. Фролов, 2009
г
Канал 1 (электрический)
1
г
и
^трохгобо хйня Ф/1$»туацщ шока нсини СИЯ с прейюритегъгш усиагое.'рп
Усилитель
I________________________________I
4Н
п
реббодолельмьы усилитель спггически* сигналов
Канал 2 (оптический)
п
Компьютер
З&фсобая
плата
¡Программа $Р£С1АВ|
Л
Рис. 1. Блок-схема аппаратно-программного комплекса
Рис. 2. Фрагменты шумовых сигналов
В среде МАТНСАО по стандартным алгоритмам [4] вычисляются автокорреляционные функции электрического В(Ч) и оп-
тического В2(1) шумовых сигналов СИД, а
затем взаимная корреляционная функция В 3 ({ ) обоих сигналов:
в(кдо =
1 И-к
N - к - 1 /.-/
1,(1 м - т
I
в2(кд0 =
1
ВЗ(кД1:) =
N-к
N - к^Т /?/
1
Р,№) ~ т
р
N-к
N - к^Т /?/
¡¡ОМ - тР
рмт + т
т
р
# 1
где ГП1, Hip - математические ожидания случайных процессов J{f) и P(t\
В стандартных программах матричных вычислений в среде MATHCAD размер матриц ограничен значением N<500, поэтому для расчётов выбирался массив данных N=500 с шагом
At = 5 мкс, то есть длительность реализаций шумовых сигналов равнялась 2,5 мс. По результатам вычислений формируются и строятся графики указанных функций. На рис. 3 приведены фрагменты графиков этих функций для СИД №11 типа TLCB5800 (голубого свечения) на основе InGaN/SiC. Сплошная линия - график корреляционной функции B(t) шумов тока накачки; штрихпунктирная линия B2(t) - фрагмент корреляционной функции шума интенсивности излучения, черная штриховая линия B3(t) - взаимная корреляционная функция обоих сигналов. Из
графика B(t) видно, что характерное время Tj
автокорреляции электрических шумов составляет величину около 150 мкс. Характерное время
Тр корреляции оптических шумов можно оценить путём экстраполяции корреляционной функции B2(t) до пересечения с осью времени;
по нашим оценкам Тр составляет примерно
350-400 мкс. Поскольку квантовая эффективность исследуемых СИД невысока и составляла величину порядка 10%, то шумы тока накачки определяются главным образом процессами без-излучательной рекомбинации носителей заряда в гетеропереходе СИД, тогда как флуктуации интенсивности излучения определяются процессами излучательной рекомбинации. Таким образом, полученные значения времен корреляции
Т| и Тр должны соотноситься с характерными
постоянными времени жизни носителей заряда на центрах безизлучательной и излучательной рекомбинации соответственно [1]. Наличие в процессах характерных времен релаксации, как известно, проявляется на энергетических спектрах этих процессов в виде лоренциановских полок. Сопоставление этих данных даёт дополнительную информацию для понимания механизмов рекомбинации и токопрохождения в ге-теропереходных СИД.
Взаимная корреляционная функция ВЗф на данном временном интервале положительна и монотонно возрастает. Для оценки характерных времен взаимной корреляции необходимо расширить длительность анализируемых реализаций шумовых сигналов.
6.0-10"
5.3-10'
4.6-10
5
►о
В 3.9-10'
К
я я
п
о
О)
>—I
л X л
ч
CJ
н
к о о S3
н о
3.2-10'
2.5-10'
1.8-10'
1.1 -10
CQ 0.4-Ю'
- 0.3 • 10'
- 1.0-10'
0 2-10 5 4-10 5 6-10 5 810 5 1 -10 4 1.2-10 4 1.4• 10 41.6-10 41.8-10 4 2-10 4
t} С
Рис. 3. Графики автокорреляционных и взаимно корреляционных функций оптического
и электрического шумов голубого гетеропереходного СИД №11
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Низкочастотные флуктуации интенсивности в мощных одномодовых гребневых полупроводниковых лазерах на основе квантоворазмср-ных гетерострукнур ¡пОаАз/АЮаАэ / А. П. Богатое, А. Е. Драки н, С. А. Плисюк и др. // Квантовая электроника. - 2002. - Т.32. - №9. - С. 809-814.
2. Гаубкин, И. И. Фотоиндуцированные и тепловые шумы в полупроводниковых р-н переходах / И. И. Гаубкин // Успехи физических наук. - 2006. - Т. 176.-№12.-С. 1321-1339.
3. Беляков, А. В. Программный комплекс для исследования статистических характеристик шумовых процессов / А. В. Беляков, М. Ю. Пе-ров, А. В. Якимов // Труды 3-го рабочего совещания по проекту НАТО 817-973799 Полупроводники «Разработка радиационио стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа» / ред. А. В. Якимов. - Нижний Новгород : ТАЛАМ, 2003. 286 с.
4. Мирский, Г. Я. Электронные измерения : 4-е изд., перераб. и доп. / Г. Я. Мирский. - М. : Радио и связь, 1986. - 440 с.
Рогов Виктор Николаевич, кандидат технических паук доцент кафедры «Радиотехника» декан радиотехнического факультета УлГТУ, занимается разработкой элементов и устройств вычислительной техники и автоматики, в частности устройств цветораспознавания. Сергеев Вячеслав Андреевич, доктор технических наук, доцент, директор Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котелышкова РАН; заведующий базовой кафедрой «Радиотехника, опто- и нано-электроника» УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котелъникова РАН. Область научных интересов -токораспределение и теплофизические процессы в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах.
Щербатюк Юрий Николаевич, аспирант кафедры «Радиотехника» УлГТУ. Фролов Илья Владимирович, студент радиотехнического факультета УлГТУ.
