CC BY
42
УДК 621.315.592
Н.Г.Джавадов
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНИКА ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Разработан фотоэлектрический нуль-детектор на основе парафазного фотоприемника, позволяющий модернизировать одно- и двухканальные оптикоэлектронные средства и методы измерений. Использование функционального фотопреобразователя даёт возможность, без разделения светового потока на два, реализовать уравновешивающий метод измерения основных фотоэлектрических параметров за счет внутренних свойств прибора.
Вследствие возрастающего антропогенного воздействия на окружающую среду, определение малых газовых составляющих (МГС) атмосферы представляет актуальную экологическую проблему. Как известно, принцип измерения МГС атмосферы основан на их способности поглощать солнечное излучение на определенных длинах волн в разных диапазонах спектра [1]. Поэтому для идентификации МГС и достоверного измерения их концентрации требуется точное определение принимаемой фотоприемником длины волны. В [2] нами было описано оптико-механическое устройство, работающее в НК и УФ диапазонах для определения содержания озона в атмосфере. Устройство формирует два гармонических сигнала, амплитуды которых соответствуют интенсивности солнечного излучения на длинах волн 9,6 и 10 мкм и 0,298 и 0,326 мкм в указанных диапазонах. Но для определения содержания неизвестной МГС в атмосфере требуется точное измерение длины волны поглощаемого фотоприемником излучения.
Для этой цели нами разработан функциональный фотоприемник (ФФП), предназначенный не только для выполнения функций традиционных фотоприемников, но и способный измерять несколько параметров: оптическую мощность, температуру, угол падения светового излучения.
Разработанный и исследованный нами ФФП является фотоэлектрическим нуль-детектором на основе парафазного фотоприемника (ПФ), который позволяет модернизировать одно- и двухканальные оптико-электронные средства и методы измерений.
Конструктивно ПФ представляет собой два потенциальных барьера ф1 < ф2 на основе структуры металл-полупроводник, расположенных на противоположных концах полупроводникового кристалла. Таким образом, два фотодиода Шоттки оказываются объединенными общей базой и включенными навстречу друг другу, что создает при освещении взаимодействие диффузионных и дрейфовых компонентов фототока, приводящих к инверсии выходного сигнала ПФ.
Диоды Шоттки создавались напылением алюминия на кремниевые моно-кристаллические пленки п-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,5 Ом-см, эпитаксиально выращенные на подложках р-типа проводимости КДБ-
10. Для того, чтобы потенциальные барьеры обладали разной высотой, т.е. чтобы соблюдалось условие ср1 ^р2, второй алюминиевый электрод формировался на пленке поликристаллического кремния, локально выращенной в едином эпитаксиальном процессе на той же подложке по технологии, описанной в [3]. Ширина запрещенной зоны поликремния больше, чем у монокремния и по разным оценкам составляет примерно 1,3-1,4 эВ.
Эта технология позволяет оптимальным способом получить два встречных диода Шоттки с разными потенциальными барьерами. По традиционной эпитаксиально-планарной технологии для этой цели приходится проводить дополнительную операцию диффузии или ионного легирования для изменения удельного сопротивления подконтактной области [4].
На рис.1 приведены спектры фототока ПФ на основе разработанной структуры Л1-8ьро1у-81-Л1 при разных освещенностях. Видно, что при изменении освещенности и неизменном напряжении смещения точка нулевого фотоответа (~0,74 мкм) не зависит от оптической мощности источника излучения, что дает возможность определения неизвестной Ха с помощью графиков и приведения выходного сигнала к нулю внешним смещением.
При использовании ПФ в оптико-электронном приборе, предназначенном для измерения длины волны монохроматического излучения неизвестного источника, необходима предварительная калибровка ПФ по эталонному источнику.. На рис.2 представлена калибровочная кривая одного из образцов, измеренная с помощью монохроматора ИКМ-1 (призма ЫБ, ширина щелей 0,05 мм). Кривая, представляющая собой два отрезка прямых, отражает зависимость длины волны Ха от величины и полярности электрического смещения и свидетельствует о возможности уравновешивающего способа измерения к.
Х0,мкм 0,9
0,8 /
0,7 I
0,6 У
0,5 -- с/
X, мкм /
^-------1-------1-------1-------1------1—
-20 -10 0 +10 +20 V, мВ
1ф, мкА
4
3
2
1
-1
-2
V=0
I
4
Рис.1. Спектры фототока при разных освященностях
Рис.2. Калибровочная кривая, измеренная с помощью монохроматора
Точность, с которой может быть измерен выходной сигнал, близкий к нулю, определяется шумом ПФ на частоте fm модуляции лучистого потока (/m=790 Гц, im=1,510-8A).
При введении в одну из приповерхностных областей полупроводника глубокой примеси с асимметрией сечения захвата электронов и дырок, (а это происходит автоматически в предложенной нами конструкции, т.к. одна из областей поликристаллическая, которая содержит глубокие ловушки) барьеры ф1 и ф2 приобретают фоточувствительные добавки Дф1 и Дф2. В такой конструкции обеспечивается измерение оптической мощности уравновешивающим методом, т.е. путем приведения выходного сигнала к нулю напряжением.
Преимущества модернизации оптико-электронных методов и средств измерения с помощью ФФП заключается в следующем: при измерениях входного параметра используется его электрическое уравновешивание в самом фотоприемнике путем приведения выходного сигнала к нулю прикладываемым напряжением. При этом низкий уровень шумов вблизи нуля обеспечивает высокую точность измерений.
Использование ФФП позволяет без разделения светового потока на два реализовать уравновешивающий метод измерения мощности освещения, оптического пропускания, поглощения и рассеяния за счет внутренних свойств прибора,. другими словами, за счет его конструкции.
Тем самым радикально упрощается схема соответствующих оптикоэлектронных приборов, снижается вес и габариты, повышается надежность, быстродействие и создается возможность автоматизации процесса измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.Л. Газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192с.
2.Гасанов Р.А., Асадов Х.Г., Джавадов Н.Г. Вопросы построения оптикомеханической аппаратуры для проведения двухдиапазонного измерения озона в атмосфере. // Нефть и газ. 1996. №4. С.17-21.
3Abdullayev A.G., Kasimov F.D. The simultaneous growth of mono-and polycrystalline silicon films. // Thin Solid Films. 1984. V.115. N3. P.237-243.
4.Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике. М.: Радио и связь, 1987. 256с.
