CC BY
28
УДК 621.382.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
В.В.Гаврушко, А.С.Ионов*, А.А.Сапожников
STUDY OF THE NOISE CHARACTERISTICS OF DIFFERENTIAL PHOTODETECTORS BASED ON SILICON
V.V.Gavrushko, A.C.Ionov*, A.A.Sapozhnikov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, [email protected]
Приводятся результаты исследования шумовых характеристик дифференциальных фотоприемников. Описана методика измерений, основанная на использовании в качестве генератора шумового тока обесточенного резистора. Для темновых характеристик всех фотоприемников при напряжениях 0,5 В плотность шумового тока имела значение около 1 -10-13 А/Гц1/2. На спектральных характеристиках шумовых токов частота сопряжения фликкер-шума и белого шума составляла 300...350 Гц. При наличии даже слабого фонового излучения (свыше 10 люкс) шумовые характеристики определялись флуктуациями фонового тока.
Ключевые слова: дифференциальный фотоприемник, кремний, генератор шума, ток шума, фоновой ток
The study results concerning the noise characteristics of differential photodetectors are presented. A measurement technique based on the use of a de-energized resistor as a noise current generator is described. For the dark characteristics of all photodetectors at voltages of 0.5 V, the density of noise current had a value of about 1-10-13 A/Hz1/2. On the spectral characteristics of noise currents, the flicker-noise and white noise mating frequency was 300.350 Hz. In the presence of even weak background radiation (over 10 lux), the noise characteristics were determined by fluctuations of the background current. Keywords: differential photodetector, silicon, noise generator, noise current, background current
Введение
Дифференциальные фотоприемники могут представлять практический интерес, связанный с возможностью формироваия селективной спектральной характеристики с максимумом чувствительности в ультрафиолетовой области без использования внешних оптических фильтров, а также с возможностью их использования как двухцветных [1-4]. Шумовые характеристики наряду с сигнальными являются одними из наиболее востребованных для приемников оптического излучения. Шумы фотоприемника ограничивают ту минимальную мощность сигнала, которую можно зарегистрировать с помощью данного прибора. Оптимальным режимом работы фотоприемника можно считать такой, при котором его собственные (темновые) шумы снижены до уровня, при котором минимальная мощность оптического сигнала будет ограничена флуктуация-ми фонового излучения. Учитывая значительное число факторов, определяющих уровень шума как фундаментального, так и технологического характера, а также принимая во внимание зависимость характеристик от режимов работы прибора, представляется целесообразным проведение экспериментального исследования шумовых характеристик фотоприемников. В настоящей работе приводятся результаты исследования спектральной плотности шумовых токов нескольких образцов кремниевых дифференциальных фотоприемников как для случаев отсутствия, так и наличия фоновой засветки.
Методика исследований
В работе использовался метод измерения тока шума фотодиодов в соответствии с п.1.8 ГОСТ 1777288 с использованием откалиброванного по току преобразователя ток-напряжение.
С целью снижения трудоемкости метод был модифицирован. Внесенные изменения состояли в следующем:
1. В способе калибровки канала измерения тока шума вместо генератора сигналов синусоидальной формы был применен генератор шумового тока, причем в качестве последнего использовался обесточенный резистор. Это позволило исключить операцию измерения эффективной шумовой полосы пропускания канала измерения шумового тока фотодиодов и, соответственно, составляющую погрешности измерений, обусловленную этой операцией.
2. При измерении шумового сигнала использовались методы цифровой обработки сигналов. Усиленное шумовое напряжение оцифровывалось с помощью 14-разрядного аналого-цифрового преобразователя типа Е14-140 фирмы L-Card с частотой дискретизации около 16 кГц. Оцифрованная реализация шумового напряжения из 32768 последовательных отсчетов записывалась в память компьютера, а затем рассчитывался спектр этой реализации методом 32768-точечного быстрого преобразования Фурье. Статистическая ошибка таких измерений не превышала 4% [5].
В качестве преобразователя ток-напряжение использовался малошумящий усилитель на основе
операционного усилителя типа ТЬ071 с сопротивлением резистора обратной связи 25 МОм. Приведенный ко входу собственный шумовой ток преобразователя ток-напряжение в рабочей полосе частот не превышал 4-10-14А/Гц12 Окончательное усиление, необходимое для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя, обеспечивалось усилителем У2-8, который был дополнен фильтром нижних частот с частотой среза около 2 кГц.
Цикл измерения включал в себя:
1. Измерение шумового напряжения на выходе измерительного тракта при разомкнутом входе (Мо). Производился для определения собственного входного шумового тока измерительного тракта.
2. Измерение шумового напряжения на выходе измерительного тракта при подключении на его вход калибровочного резистора (Мк). Производился для определения коэффициента преобразования измерительного тракта.
3. Измерение шумового напряжения на выходе измерительного тракта при подключении на его вход фотодиода в заданном режиме работы (Мф). Производился для определения шумового тока фотодиода в единичной полосе частот. По результатам этих измерений шумовой ток фотодиода в единичной полосе частот ^ рассчитывался по формуле:
гш -1
4£Г (Мф)2 -(Мо)2 Кк (Мк)2 -(Мо)2
(1)
где k — постоянная Больцмана; Т — температура окружающей среды, К; RК — сопротивление калибровочного резистора, Ом.
Результаты исследований и их обсуждение
Были исследованы шумовые характеристики трех образцов фотодиодов с дозами легирования дополнительного канала 200 мкКл/см2, 500 мкКл/см2 и
2000 мкКл/см2 (соответственно №29-1, 29-2 и №34-2). Два из исследованных образцов (№29-1 и №34-2) были выбраны с низкими (менее 5 В) пробивными напряжениями, а образец №29-2 — со сравнительно высоким (более 20 В) пробивным напряжением.
Характеристики основного и дополнительного каналов для каждого из образцов имели аналогичный вид, поэтому на рис.1 приведены зависимости шумового тока (в единичной полосе) фотодиодов от напряжения питания (смещения) в отсутствии фоновой засветки только для одного из каналов каждого из образцов. У образца с высоким пробивным напряжением (№29-2) зависимости шумового тока от напряжения смещения и на частоте 1 кГц (кривая 1) и на частоте 150 Гц (кривая 1') близки к линейным, что указывает на преобладание в данном образце шумов, обусловленных омической утечкой [6]. У образцов №34-2 и №29-1, имеющих низкие пробивные напряжения, в зависимостях шумового тока от напряжения питания можно выделить два участка:
а) при напряжениях питания не выше (1___1,5)
В наблюдалось близкое к линейному изменение шумового тока от напряжения. Вблизи нулевого смещения спектральная плотность шумового тока имела значение около 1*10-13 А/Гц1/2. Важно отметить, что при выборе напряжения питания в пределах данного участка рост шумового тока не превышал 60-80% его значения при нулевом напряжении питания;
б) при напряжениях питания выше 1 В_1,5 В зависимость шумового тока от напряжения питания для этих образцов приобретала вид, близкий к квадратичной, что характерно при работе диодов на пред-пробойных участках ВАХ [6].
Спектральные характеристики шумовых токов фотодиодов в отсутствие фоновой засветки имели классический вид (в качестве примера на рис.2 при-
1 ■ 1013, А/Гц1/2 ш ' ' 111 -и2 1 3' /V
/// 1 / / \2' 1ч
А 1 ипиТ' В
0
2
4
6
8
1, 1' — образец №29-2 (500 мкКл/см2); 2, 2' — образец №34-2 (2000 мкКл/см2);
3, 3' — образец № 29-1 (200 мкКл/см2); 1, 2, 3 — частота 1 кГц, 1', 2', 3' — частота 150 Гц Рис.1. Зависимости шумового тока фотодиодов от напряжения питания
4
3
2
1
5,0
2,0
1,0
0,5
i 1013, А/Гц1/2
3 2
1— ^ ^ *--- •
я *9
—----*-±-*-♦
^ -1- fa ^^ —•- • • ■—•-*
0,1 0,2 0,5 1,0
Рис.2. Спектральные характеристики шумового тока образца №29-2 в отсутствии фоновой засветки. 1 — ипит = 0,5 В; 2 — ипит = 2 В; 3 — ипит = 10 В
20
15
10
i ю13 ijs МГц1'2 ■ ^фси 100 н.4 *
р
1/ - * 50 нЛ ♦
- ~~» -t— — ■+
В от tymcmeu и фона
1 * " : -0-
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис.3. Спектральные характеристики шумового тока образца №29-2 при разных фоновых токах и напряжении питания 0,5 В. 1 — теоретическое значение дробового шумового тока при /фон = 100 нА; 2 — теоретическое значение дробового шумового тока при /фон = 50 нА
ведены характеристики образца №29-2) и могут быть представлены в виде суммы двух компонент: флик-кер-шума и белого шума. Параметр а фликкер-шума для исследованных образцов имел значение в пределах от 0,9 до 1,1, а частота сопряжения фликкер-шума и белого шума составляла 300.. .350 Гц.
Поскольку фотодиоды практически не используются в режимах без фоновой засветки, были проведены измерения шумового тока фотодиодов при воздействии на них фонового потока излучения. В качестве источника фона использовалась питаемая стабильным током лампа накаливания. Уровень фонового потока регулировался изменением тока питания лампы, а контролировался по величине фонового фототока исследуемого образца. Результаты измерений для образца №29-2 приведены на рис.3. Результаты измерений других образцов были аналогичными. Как видно из рисунка, при фоновых токах /фон > 50 нА шумовой ток образца полностью определялся дробо-
вым шумом его фонового тока и мог быть определен по формуле Шоттки:
= у1 2Ч ■1 фон, (2)
где q — заряд электрона; /фон — фоновый ток.
По нашим оценкам, при невысоком обратном напряжении (и ~ 0,5 В) шумовые характеристики кремниевых дифференциальных фотоприемников для дневного света будут определяться флуктуациями фонового излучения, начиная с освещенности около 10 люкс.
1. Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Pat. №7196311B2 US, МКИ H01L 27/15 Semiconductor photosensor.
2. Пат. 8532 U BY, МКИ H01L 27/15 Фотоприемник / В.И. Блынский, С.А. Малышев. Заявл. 29.12.2011. Опубл. 30.08.2012.
3. Гаврушко В.В, Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. Коротковолновый дифференциальный фотоприемник на
основе кремния. // Журнал технической физики. 2017. Т.87. Вып. 2. С.310-311.
4. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. О токовой чувствительности дифференциальных фотоприемников на основе кремния // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Технические науки. 2018. № 1 (107). С.4-7.
5. Клюев А.В., Шмелёв Е.И., Якимов А.В. Описание спектра естественных шумов полупроводниковых диодов на основе модифицированного соотношения Ван дер Зила // Известия вузов. Радиофизика. 2014. T.LVII. №12. С.995-1004.
6. Ван дер Зил А. Шум (источники, описание, измерение). М.: Сов радио, 1973. 228 с.
References
1. Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Semiconductor photosensor. Patent US, no. 7196311 (B2), 2007.
2. Blynskii V.I. Malyshev S.A. Fotopriemnik [Photodetector]. Patent BY, no. 8532 U, 2012.
3. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. Korotkovolnovyi differentsial'nyi fotopriemnik na osnove
kremniia [Silicon-based shortwave differential photodetector]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2017, v.62, no.2, p.338-340.
4. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. O tokovoi chuvstvitel'nosti differentsial'nykh fotopriemnikov na osnove kremniia [On current sensitivity of silicon-based differential photodetectors]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2018, no. 1(107), pp. 4-7.
5. Kliuev A. V., Shmelev E. I., Iakimov A. V. Opisanie spektra estestvennykh shumov poluprovodnikovykh diodov na osnove modifitsirovannogo sootnosheniia Van der Zila [Description of the spectrum of natural noise in semiconductor diodes based on the modified Van der Ziel relation]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Radiofizika - Radiophysics and Quantum Electronics, 2015, vol. 57, no. 12, pp. 891-899.
6. Van der Ziel A. Noise. Sources, Characterization, Measurement. Prentice-Hall, 1970. 184 p. (Russ. ed.: Van der Zil A. Shum (istochniki, opisanie, izmerenie). Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1973. 228 p.).
