CC BY
102
УДК 53.07
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТО-ЭДС И ФОТО-ТОКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ГЕТЕРОСТРУКТУР
Г.И. Котов, Г.А. Панин, С.А. Титов, Ю.Н. Власов
Разработанный измерительный комплекс позволяет измерять следующие фотоэлектрические характеристики полупроводниковых гетероструктур: фото-ЭДС, фото-ток, спектральную зависимость фото-ЭДС и фото-тока. Основные характеристики комплекса: спектральный диапазон излучения монохроматора - от 0.3 до 8 мкм; минимальный сигнал фото-ЭДС - 1 мкВ; минимальный сигнал фото-тока - 1 нА; температурный диапазон измерений 77 - 300 К
Ключевые слова: фото-ЭДС, фото-ток, полупроводниковая гетероструктура, спектральная зависимость
Исследование приемников излучения в диапазоне длин волн 1,5-14 мкм сохраняет актуальность в настоящее время [1,2]. Представляют интерес в этом направлении узкозонные полупроводниковые материалы, в частности InSb и 1пА8 [2]. При изучении фотовольтаических характеристик диодов со структурой типа полупроводник-полупроводник или метал-полупроводник возникает проблема, связанная с «закреплением» уровня Ферми на поверхности этих материалов [3]. Это накладывает дополнительные требования к измерительным устройствам фотоэлектрических характеристик в части устойчивого измерения малых значений фототоков и фото-ЭДС в широком диапазоне температур и длин волн падающего излучения. Для проведения подобных измерений в данной работе приводится описание установки, изготовленной на основе хорошо зарекомендовавших себя спектральных приборов типа МДР2, ИКС-14 [4].
Измерительный комплекс, кроме спектральных приборов включает набор преобразователей измеряемой физической величины в напряжение, аналого-цифровой преобразователь, блок цифровой обработки сигнала с возможностью регистрации сигнала на компьютере, управляющую программу (рис.1).
ИК излучение от глобара 1 попадает на монохроматор 2. Система зеркал 3 и 4 фокусирует ИК лучи в плоскости предметного столика 6 на площади ~ 1см2, занимаемой фотоприемником. Безвакуумный азотный криостат 5 представляет собой стальной сосуд Дьюара с дополнительной пенопластовой термоизоляцией. Над
поверхностью жидкого азота находится медный столик с хладопроводами.
Котов Геннадий Иванович - ВГУИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Панин Георгий Альбертович - ВГУИТ, аспирант, e-mail: [email protected]
Титов Сергей Александрович - ВГУИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Власов Юрий Николаевич - ВГУИТ, ассистент, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Блок-схема измерительной установки: 1 -
глобар, 2 - монохроматор, 3 - параболическое зеркало, 4 -плоское зеркало, 5 - безвакуумный криостат, 6 - предметный столик, 7 - преобразователь физической величины в напряжение, 8 - аналого-цифровой преобразователь
(АЦП), 9 - блок формирования синхросигнала с системы зеркального прерывателя, 10 - блок цифровой обработки и регистрации сигнала на компьютере.
На столике располагается инфракрасный фотопреобразователь, контакт с которым осуществляется медным зондом со вставкой из бе-риллиевой бронзы. Фотоприемник подключается ко входу преобразователя физической величины в напряжение 7. Предусмотрена возможность нагрева образца. Контроль температуры осуществляется термопарой медь-константан. С выхода преобразователя физической величины в напряжение сигнал попадает на блок аналогоцифрового преобразования 8. Синхросигнал, вырабатываемый фотоэлектрической системой прерывателя 9, поступает непосредственно на блок цифровой обработки 10, который сдвигает его по фазе и изменяет длительность так, чтобы фазовый сдвиг между ним и сигналом с гетероструктуры был близок к нулю. Сигнал с аналого-цифрового преобразователя (АЦП), прошедший блок цифровой обработки, поступает через интерфейс RS232 в компьютер.
Так как необходимо измерять фото-ток и фото-ЭДС [5], а с помощью блока АЦП можно измерять только напряжение, то непосредственно перед измерением физической величины требуется ее преобразование в напряжение и усиление. Все схемы преобразователей реализованы с использованием двух каскадов усиления. Данное решение хоть и проигрывает по шумам однокаскадному варианту, но было выбрано в целях необходимости измерений гетероструктур различного типа. Дело в том, что в зависимости от выбора подложки, ее предварительной подготовки и типа металлизации контакта гетероструктуры могут иметь значительную емкость и сопротивление, которые вносят искажения на низкой частоте в передаточную характеристику усилителя преобразователя, тем самым снижая его устойчивость и вызывая эффекты типа звона и дифференцирования модулированного сигнала.
Шумы в фото-ЭДС при измерениях в открытом криостате при комнатной температуре вызваны колебанием температуры окружающей среды и, соответственно, сопротивления гетероструктуры, также сказывается и нагрев образца от падающего излучения. Следовательно, при комнатной температуре снятие спектральных характеристик целесообразно проводить измерения фото-тока. При азотных температурах измерения ~ 77 К внутреннее сопротивление гетероструктуры возрастает, что приводит к заметному уменьшению фото-тока и более эффективно измерение фото-ЭДС.
Все схемы усилителей выполнены на сдвоенных rail-to-rail операционных усилителях фирмы Analog Devices AD823, с полевыми JFET транзисторами на входе. Они имеют полосу единичного усиления 16 МГц и динамический диапазон 70-80 дБ [6], который прекрасно согласуется с 12 битным АЦП. Для расширения динамического диапазона преобразователей первый усилительный каскад имеет переключаемый коэффициент усиления.
Для преобразования фото-тока в напряжение [8] схема должна иметь нулевой входной импеданс, чтобы падение напряжения на гетеропереходе также было нулевым. Нулевой импеданс обеспечивает операционный усилитель DA1.1, так как благодаря большому усилению его обратная связь устанавливает нулевую разность напряжений между входами. Это является ключевым моментом схемы преобразователя тока в напряжение, показанной на рис. 2. Она обеспечивает входное сопротивление, равное R/A, где A - коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной
связи, а Я - сопротивление, включаемое в цепь обратной связи усилителя с помощью мультиплексора ББ1.
♦ *5\/
Рис. 2. Принципиальная схема преобразователя фототока в напряжение. О - образец: исследуемая гетероструктура или эталонный фотодиод.
Ток от образца 10 практически не течет через вход операционного усилителя, целиком направляясь в цепь обратной связи R. Таким образом, выходная зависимость напряжения от фототока имеет вид иш = 10Я. Дальнейшее усиление и^и1 с ББ1.1 осуществляется усилителем ББ1.2 с коэффициентом усиления 10.
Для измерения фото-ЭДС [9] схема наоборот должна иметь высокий входной импеданс, чтобы ток, протекающий через ее вход, был минимальным. Это условие обеспечено в схеме, показанной на рис. 3.
+51/
"I
Рис. 3. Принципиальная схема преобразователя фото-ЭДС в напряжение. О - образец: исследуемая гетероструктура или эталонный фотодиод.
Входной каскад БА1.1 построен по схеме неинвертирующего усилителя напряжения. Выходная зависимость напряжения от фото-ЭДС с выхода БА1.1 имеет вид иш( = ио(1+Я/1000),
где Uo измеряемая фото-ЭДС образца, а R -сопротивление, включаемое в цепь обратной связи мультиплексором DD1. Дальнейшее усиление Uout c DA1.1 осуществляется усилителем DA1.2 с коэффициентом усиления 10.
Блок цифровой обработки сигнала выполнен на микроконтроллере Atmega48 фирмы “AVR” так как он имеет достаточный объем памяти и степень быстродействия, необходимые для программной реализации алгоритма цифровой обработки [11]. Для реализации всего динамического диапазона преобразователей физической величины, применен внешний 12 битный измерительный АЦП ADS1286P от Texas Instruments [7].
Блок цифровой обработки осуществляет когерентное накопление сигнала на заданной с программы управления длительности накопления. Весь алгоритм обработки реализован программно в микроконтроллере. Измеряемый сигнал поступает на внешний АЦП и оцифровывается с частотой дискретизации 10KHz. Затем оцифрованные значения накапливаются во время прохождения стробирующего импульса [10]. Временная диаграмма работы цифрового накопителя показана на рис. 4.
Рис. 4. Временная диаграмма работы алгоритма накопления.
Накопление сигнала во время действия стробирующего импульса синхронизации осуществляется за счет его привязки к внутренней шкале времени микроконтроллера. Стабильность шкалы времени блока цифровой обработки равна стабильности примененного опорного кварцевого генератора, что позволяет осуществлять накопление в течение многих секунд. После того как микроконтроллер зарегистрировал фронт импульса синхронизации, он переходит в режим ожидания на время установления измеряемого сигнала на входе. По истечении времени ожидания осуществляется накопление оцифрованных значений сигнала на заданной с программы управления длительности. После накопления микроконтроллер переходит в режим ожидания нового импульса синхронизации. Затем цикл повторяется для следующего импульса. Выдача результатов накопления в компьютер
по порту RS232 и сброс аккумулятора накопителя импульсов производится по сигналу временной метки от системы развертки спектрофотометра по длинам волн. Так же блок цифровой обработки может осуществлять выдачу результатов и сброс аккумулятора накопителя по истечении заданного интервала времени.
Управление блоком цифровой обработки по порту RS232, а так же считывание измеренных значений осуществляет программа, написанная на Borland C++ Builder 6.0 . Время установления сигнала, время накопления сигнала, а так же число накапливаемых импульсов так же задаются с управляющей программы.
Чтобы проверить работоспособность измерительного комплекса были проведены сравнительные измерения фототоков промышленного фотодиода ФД8К и изготовленными нами фотопреобразователями с барьером Шоттки на кремниевых подложках с полупрозрачными контактами из золота различной толщины и площади. Площадь полупрозрачных контактов изменялась от 0,1 до 0,4 см 2. Толщина полупрозрачного слоя золота контролировалась по относительному изменению пропускания света образцом спутником на стеклянной подложке. Перед напылением, пластины кремния освежали в растворе серной кислоты и перекиси водорода (H2SO4:H2O2:H2O=4:1:1) в течение 2 минут, затем отмывали в деионизованной воде и высушивали на центрифуге. Напыление полупрозрачных контактов из золота на «холодные» (Т = 293 К) подложки из монокристаллического кремния n-Si( 100) осуществляли вакуумным термическим напылением через маску в установке ВУП-5. Затем сверху на полупрозрачный слой золота через маску напыляли достаточно толстый электрический контакт из алюминия. На рис. 5. показаны зависимости фото-тока от длины волны для фотодиода (а) и кремниевого образца (б), измеренные с помощью разработанного комплекса.
Как видно из рис. 5, зависимость фототока от длины волны для экспериментального кремниевого образца подобен характеристики промышленного фотодиода, изготовленного также на основе кремния. Значения фото-тока для каждой длины волны для фотодиода по сравнению с кремниевым экспериментальным образцом, больше на порядок, что связано с включением последовательного сопротивления кремниевой подложки в экспериментальном образце. Изготовленный измерительный комплекс предназначен для исследования фотоэлектрических характеристик гетероструктур типа металл -
тонкая пленка полупроводника AIII2BVI3 - подЛ II^V
ложка A B .
а)
б)
I,
io * а ...... jàL
10 - / 4
8 -.........і ........
6 - jf . V.......
0.8 1 1.2 1.4 1.6 А., МКМ
Рис. 5. Зависимость фото-тока от длины волны для фотодиода ФД8К (а) и кремниевого образца (б).
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по гос. контракту № 16.516.11.6084 от 08.07.2011 г.
Литература
1. Розентер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2006. 592с.
2. Войцеховский А.В., Давыдов В.Н. Фотоэлектрические МДП-структуры из узкозонных полупроводников. Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. 328с
3. Безрядин Н.Н., Татохин Е.А., Арсентьев И.Н. и др. ФТП, 1999, т33 , вып. 12, С. 1447.
4. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. Изд-во Московского Университета, 1977 г, 384с.
5. ГОСТ 17772-88 “Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик”.
6. Analog Devices Dual, 16 MHz, Rail-to-Rail FET Input Amplifier AD823 datasheet.
7. Texas Instruments 12-Bit Micro Power Sampling ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER ADS1286P datasheet.
8. HOBBS Philip C.D. Компоненты и технологии, № 2-3, 2009. С. 46.
9. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. М.: Мир, 1982, 512с.
10. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. Издание второе переработанное и дополненное. М.: Советское радио, 1969, 448с.
11. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров. Киев: МК-Пресс, 2006, 208с.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
DEVICE FOR MEASURING PHOTO-EMF AND PHOTO-CURRENT OF SEMICONDUCTOR
HETEROSTRUCTURES
G.I. Kotov, G.A. Panin, S.A. Titov, Yu.N. Vlasov
The developed measuring system can measure the following photovoltaic characteristics of semiconductor heterostructures: photo-EMF, photo-current, spectral dependence of the photo-EMF and photo-current. Main technical characteristics: the spectral range of emission monochromator - from 0.3 to 8 microns; minimum signal photo-EMF - 10 mV; minimum signal photo-current - 10 nA; temperature of measurements - 77 - 300 K
Key words: photo-EMF , photo-current, semiconductor geterostructure
