Устройство для измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯХСЕНИЯ ЛАВИННОГО ФО- . ТОДИОДА, содержащее высокочастотный генератор, измерительный прибор, генератор нарастающего напряжения, первый управляк |ций вход которого соединен с выходом компаратора, токосъемный резистор, соединенный с первой шиной Для подключения измеряемого фотодиода , о тли ч ающеес я тем,. что, с целью повышения точности измерения , в него введены селективный усилитель, амплитудный детектор, функциональный логарифмический преобразователь , нелинейный операционный усилитель с запом81нан)адим конденсатором, управляемый коммутатор, экстраполи- . рующий конденсатор, токостабилизируюадая схема, ключ, источник излучения, пороговая схема, генератор пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором и схема сброса, причем первая шина для тлолключения измеряемого фотодиода соединена через последовательно соединенные селективный усилитель и амплитудный детектор с входами функционального логарифмического преобразователя ипороговой схемы , выход которой соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения и вторым управляющим входом генератора нарастающего .напряжения, выход функционального логарифмического преобразователя соединен с входам нелинейного операционноногр усилителя с запоминающим конденсатором и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с экстраполируклдим конденсатором ,- .а выход соединен с входом токостабилизирукщей схемы, управляющий вход котрррй соединен с первым выходом нелинейного операционного усилителя сзапоминающим конденсатором, второй выход которого соединен с упа S3 равляющими входами управляемого коммутатора и ключа, вход которого сое (Л динен с выходом генератора нарастающего напряжения и входом измерительного прибора, а выход - с второй щиной для подключения измеряемого фотодиода , который оптически связан с источником излучения, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора пиоэ лообразного напряжения с запоминающим конденсатором, выход компаратора со со со to соединен с первым управляющим входом измерительного прибора, а его вход с экстраполирующим конденсатором, схемы сбр.оса соединен с третьим управляющим входом генератора нарасТаквдёго напряжения, вторым управляющим входом измерительного прибора, управляющим входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим кон .денсатором и вторым управляющим входом генератора пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором.

ÄÄSUÄÄ 1033992

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН управляющим входом генератора пилооб" разного напряжения и вторым управляющим входом генератора нарастающего . напряжения, выход функционального логарифмического преобразователя соединен с входом нелинейного операционноного усилителя с запоминающим конденсатором и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с экстраполирующим конденсатором; а выход соединен с входом токоcòàáèëHçèðóêèöåé схемы, управляющий вход которой соединен с первым выходом неЛинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором, второй выход которого соединен с уп" равляющими входами управляемого ком- C е мутатора и ключа, вход которого соединен с выходом генератора нарастающего напряжения и входом измеритель- ного прибора, а выход — с второй ши" . С .ной для подключения измеряемого фотодиода, который оптически связан с ис. точником излучения, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора пи- 1 „ лообразного напряжения с запоминаю" (Д щим конденсатором, выход компаратора соединен с первым управляющим входом измерительного прибора, à его вход — - Я ) с экстраполирующим конденсатором, вы ход схемы сброса соединен с третьим управляющим входом генератора нарас- Я тающего напряжения, вторым управляющим входом измерительного прибора, управляющим входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим кон. .денсатором и вторым управляющим входом генератора пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором. (21) 3426118/18-21 (22) 16. 04. 82 (46) 07.08.83 ° Бюл. 9 29 (72) В.Б.Барков, Ю.К.Крутоголов и Л.В.Лебедева (53) 621..382.2(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 172374, кл. G 01 R 31/26, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

9 421959 кл. G 01 R 31/26, 1972. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА, содержащее высокочастотный . генератор, измерительный прибор, генератор нарастающего напряжения, первый управлякйций вход которого соединен с выходом компаратора, токосъем, ный резистор, соединенный с первой шиной Для подключения измеряемого фотодиода, о т л и ч а ю щ е.е с я тем, ° что, с целью повышения точности измерения, в него введены селективный усилитель, амплитудный детектор, функ"циональный логарифмический преобразователь, нелинейный операционный усилитель с запоминающим конденсатором, управляемый коммутатор, экстраполирующий конденсатор, токостабилизирующая схема, ключ, источник излучения, пороговая схема, генератор пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором и схема сброса, причем первая шина для подключения измеряе- .мого фотодиода соединена через после" довательно соединенные селективный усилитель и амплитудный детектор с входами функционального логарифмического преобразователя и пороговой схемы, выход которой соединен с первым

3(5g G 01 R 31/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЬП ИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ".

К ABT0PGH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1033992

Изобретение относится к полупроводниковой фотозлектронике и может быть использовано для измерения электрических и фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода.

Известно устройство для измерения 5 пробивного напряжения выпрямляющих переходов, содержащее генератор импульсного напряжения и измерительное устройство, а также стабилитроны, ограничивающие напряжение на испытуе" мом образце при его пробое (1). .Недостаток данного устройства состоит в возможности теплового пробоя контролируемого выпрямляющего перехода при длительном воздействии ис- 15 пытательного режима. Кроме этого, для испытуемых приборов различных типов необходим разный уровень стабилизации, что вызывает необходимость на.стройки устройства в процессе его эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения пробивного напряжения выпрямляющих переходов, содержащее генератор нарастающего напряжения, выход которого через смеситель соединен с второй шиной для подключения измеряемого выпрямляющего перехода и измерительным прибором, а управляющий вход которого соединен 30 с выходом порогового элемента, гене" ратор высокочастотного напряжения, соединенный с вторым входом смесителя, .и токосъемный резистОр, через первую шину соединенный последова" 35 тельно с измеряемым выпрямлякщим переходом (2).

Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость

его схемы к.флуктуациям напряжения щ (шумам) на измеряемом выпрямляющем переходе, что приводит к неопределенности в определении момента перехода фазовой характеристики через. нуль; при котором измеряется напряжение пробоя, и, как следствие, к з начительной погрешности измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода. поставленная цель достигается тем,50 что в устройство для измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода, содержащее высокочастотный генератор, измерительный прибор, генератор нарастающего напряжения, первый управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, токосъемный резистор, соединенный с первой шиной для подключения измеряемого фотодиода, введены селективный усилитель, 60 амплитудный детектор, функциональный логарифмический преобразователь, не,линейный операционный усилитель с эа. поминающим конденсатором, управляемый коммутатор экстраполирующий кон-65 денсатор, токостабилизирующая схема, ключ, источник излучения, пороговая схема, генератор пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором и схема сброса, причем первая шина для подключения измеряемого фотодиода соединена через последовательно сое,циненные селективный усилитель и амплитудный детектор с входами функционального логарифмического преобразова-. теля и пороговой схемы, выход которой соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения и вторым управляющим входом генератора нарастающего напряжения, выход функционального логарифмического преобразователя соединен с входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с экстраполирующим конденсатором, а выход соединен со входом токостабилизирующей схемы, управляющий вход которой соединен с первым выходом нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором, второй выход которого соединен с управляющими входами управляемого коммутатора и ключа, вход которого соединен с выходом генератора нарастающего напряжения и. входом измерительного прибора, а выход — с второй шиной для подключения измеряемого фотодиода который оптически связан с источнйком излучения, вход которого соединен с выходом вы-. сокочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором, выход компаратора соединен с первым управлякицим входом измерительного прибора, а его вход — с экстраполирующим конденсатором, выход схемы сброса соединен с третьим управляющим входом генератора нарастающего напряжения, вторым управляющим входом измерительного прибора, управляющим входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором и вторым управляющим входом генератора пилообразного напряжения,. с запоминающим конденсатором.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие рабо" ту устройства, 0 - напряжение на выходе генератора нарастающего напряжения смещения, изменяющееся по экспоненциальному закону; о †.огибающая импульсов фототока на выходе детектора;  — напряжение на выходе функционального логарифмического преОбразователя, изменяющееся по закону

2п(1- Д) ) -ъ - напряжение на первом выходе нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором, равное производной входного- напряже1033992,ния д - импульс напряжения на втором выходе нелинейного операционногсг усилителя с запоминающим конденсатором;,< — напряжение на экстраполирующем конденсаторе м: - прямоугольный импульс. напряжения на выходе компара- S . тора.

Устройство для измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода (фиг. 1) содержит измеряемый лавин". ный фотодиод 1, последовательно сое- Я диненный с токосъемным резистором 2, 1к точке их соединения подключены последовательно соединенные селективный усилитель 3, амплитудный детектор 4, функциональный логарифмическйй преоб- 5 разователь 5, нелинейный операционный усилитель 6 с запоминакщим конденсатором, второй выход которого соединен с входом управления коммутатора

7, который подключает экстраполирующий конденсатор 8 либо к выходу функционального логарифмического преобразователя 5, либо к входу управляемой токостабилизирукщей схемы 9, вход управления которой соединен с первым

:выходом нелинейного операционного усилителя 6. Генератор 10 нарастакщего напряжения, выход которого соединен с входом измерительного прибора

11 и через электронный ключ 12, вход управления которого соединен с вто- 30 рым выходом нелинейного операционного усилителя б, соединен с второй шиной для подключения лавинного фотодиода 1. Компаратор 13, вход которого подключен к зкстраполирующему кон-35 денсатору 8, а выход — к первому управляницему входу Стоп генератора 10 нарастакщего напряжения и первому управляющему входу запуска измерительного прибора 11. 40

Высокочастотный генератор 14 с электронной регулировкой амплитуды выходных импульсов соединен с источником 15 излучения, который оптичес --. ки связан с лавинным фотодиодом 1, а 45 между выходом амплитудного детектора

4 и входом управления высокочастотного генератора 14 включены последовательно соединенные пороговая схема .16 и генератор 17 пилоОбразного напряжения с запоминающим конденсато- 50 . ром, причем выход пороговой схемы 16 связан также и с вторым управляющим входом Старт генератора 10 нарастакщего напряжения. К управляющим входам Сброс генератора 10 нарас-55 танлцего напряжения, измерительного прибора 11, генератора 17 пилообраз-! ного напряжения с запоминакщим конденсатором, нелинейного операционного усилителя 6 с запоминающим конден"60 сатором подключена схема 18 сброса.

Устройство работает следующим образом.

В основе его работы лежит факт, что зависимость коэффициента лавин" 65 ного умножения фототока от напряжения обратйого смещения, при напряжениях, меньших напряжения пробоя, описывается. формулой Миллера где И вЂ” коэффициент лавинного умножения фототока;

U †-. . напряжение обратного смещенияу напряжение пробоя; и — параметр Миллера.

Прологарифмировав это выражение, получаем

6(-„— Ù}= (üî-р,ц ) г

Отсюда следует, что при U

М функцией lnU, наклон которой определяется величиной и. Тогда, экстраполировав прямолинейный участок (участок постоянного наклона) кривой экспериментальной зависимости 1п(1- †) от 1п 11 до значений ln(l- †)=0 онрем

М делим некоторое напряжение U логарифм которого, как следует из формулы (2), равен lnU т.е. это напряжение обратного смещения и есть искомое напряжение пробоя (Uä ).

На испытываемый лавинный Фотодиод

1 от генератора 10, через открытый электронный ключ 12, подается постоянное начальное напряжение смещения

U (фиг. 2, а) соответствукщее безлавинному режиму работы фотодиода 1, при котором происходит автоматическая установка начального фототока Iф через лавинный фотодиод 1. Для этого с выхода генератора 17 пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором линейно нарастающее аналоговое напряжение поступает на вход управления амплитудой выходных токовых импульсов высокочастотного генератора

14,.которые подаются на источник 15, изменяя интенсивность его излучения по линейно-возрастакщему закону, начиная с нулевого значения. При воз- . действии возрастающих по амплитуде импульсов света на измеряемый лавинный фотодиод 1, через него начинают протекать возрастающие по амплитуде импульсы фототока, которые, протекая через токосъемный резистор 2, созда" ют на нем падение напряжения, значение которого при заданных значениях начального фототока Х) и величины токосъемного резистора 2 определяет коэффициент лавинного умножения — М.

Этот сигнал усиливается селективным усилителем 3, преобразуется амплитудным детектором 4 в постоянное напряжение и поступает на вход пороговой схемы 16, порог срабатывания которой определяет величину начальнос

1033992

ro фототока Х. через лавинный фото диод 1. В момент превышения входным напряжением порога срабатывания .на выходе схемы 16 появляется импульс управления, который, поступая на управляющий вход генератора 17 с запо" минающим конденсатором, фиксирует действующее на его выходе в этот момент значение аналогового напряжения °

Одновременно импульс. управления с выхода пороговой схемы 16 поступает на второй управляющий. вход Старт генератора 10, с выхода которого нарастающее по экспоненциальному закс" ну напряжение поступает через открытый электронный ключ 12 на исследуемый ланинный фотодиод 1 (фиг. 2, а}.

С выхода детектора 4 огибающая фотоимпульсов тока (фиг. 2, б) поступает на вход функционального логарифмического преобразователя 5, а с его выхода напряжение изменяющееся по за1 кону 1n(1- — „) (фиг. 2, в), поступает на вход нелинейного операционного усилителя б с запоминающим конденсатором. Так как напряжение смещения, приложенное к исследуемому лавинному фотодиоду 1, изменяется во времени по экспоненциальному закону, то зависимость 1п(1- <) от времени или, что тоже самое, от 1ri U будет иметь линейный участок (участок постоянного наклона). На первом выходе нелинейного операционного усилителя б с запоминающим кОнденсатором выделяется экстремум производной входного напряжения, численно равный параметру Миллера.п в формуле (1) и запоми" нается его значение (фиг. 2, г).

На втором выходе нелинейного операционного усилителя 6 формируется импульс, совпадающий по времени с экстремумом производной нходного напряжения (фиг. 2, д), который поступает на управляющий вход электронного ключа 12 и. закрывает его, отключая тем самым выход генератора 10 от ла.винного фотодиода 1, а также на управляющий вход коммутатора 7, который переключает экстраполирующий конденсатор 8, подключенный н исходном состоянии к выходу функционального логарифмического преобразователя 5, к. входу управляемой.токостабилизирую" щей схемы 9, после чего происходит его разряд постоянным током, величи" на которого определяется действующим на управляющем входе токостабилизирующей схемы 9 напряжением. Иными словами„. по заданной точке A (фиг. 2, в) определяемой величиной напряжения на экстраполирующем конденсаторе 8 в момент его подключения к .токостабилизирующей схеме 9 и углу наклона гопределяемому величиной . разрядного тока, происходит автоматическая экстраполяция линейного участка зависимости 1n(1- Я) до обращения ее в нуль (фиг. 2, е) ° Определение нулевого значения напряжения на экс-!. траполирующем конденсаторе 8 происходит с помощью компаратора 13, к входу которого он подключен. Когда напряжение на э ко трап олирующем к онденсаторе 8 достигнет нулевого значения, на выходе компаратора 13 формируется импульс (фиг. 2, ж), который поступает на первый управляющий вход

10 Стоп генератора 10 и вход внешне го запуска измерительного прибора (которым может быть цифровой вольтметр) 11, при этом нарастание напря жения на выходе генератора: 10 прекра15 щается, а действующее на его выходе в этот момент напряжение запоминает» ся (фиг. 2, а) и регистрируется изме рительным прибором 11.

Для возвращения всей схемы н исходное состояние с целью подготовки устройства к последующим измерениям используется схема 18 сброса, с выход да которой сформированный импульс поступает . на . управляющие входы Сброс генератора 10, измерительного прибора 11, генератора 17 с запоминающим конденсатором, нелинейного операционного усилителя б с запоминающим конденсатором.

В сраннении с прототипом, который является и базовым объектом,.предлагаемое устройство позволило полностьщ исключить влияние шумовых характерис= тик исследуемого лавинного фотодиода

3S на результаты измерений и за счет этого повысить их точность . лтак как . для снятия зависимости Efj((- вЂ,в схемЕ

М ус трой с тв а ио поль з уетс я с елек тив ный

U усилитель, а определение напряжения

® пробоя производится в момент времени, когда исследуемый ланинный фотодиод фактически исключен из измерительной схемы. Так как испытываемый лавинный фотодиод подвергается воз" действию обратного напряжения смещения только при снятии линейного участ»

1 ка зависимости 3п ()- — ), которая м снимается при напряжениях, заведомо меньших .напряжения пробоя, то, как это очевидно, предлагаемое устройство позволит полностью исключить возможность повреждения или выхода из

° строя контролируемого прибора, а сле" довательно, повысить процент выхода годных приборов на этапе контроля их параметров.

Использование в предлагаемом устройстве схемы автоматической установки начального фототока Х@ ггенератора нарастающего напряжения, работающего в режиме Старт-Стоп-Сброс, схемы автоматической экстраполяции функции

{?n(1« «"), а также цифрового вольт% %8 метра позволило полностью антоматизи» ровать процесс измерения напряжения оззэм

7 пробоя, являющегося основной характеристикой лавинных фотодиодов. Автоматизация собственно .процесса измерения напряжения пробоя, а также воэможность автоматизации в предлагаеМом устройстве и процесса записи ре зультатов измерения с помощью цифропечатающей машины, так. как в устройстве может использоваться цифровой вольтметр, позволит повысить производительность измерений в целом, что особенно важно в заводских условиях при стопроцентном контроле напряжения пробоя лавинных фотодиодсв.

Следует также отметить, что изобретение позволит, наряду с измерени.ем напряжения пробоя лавинных фото» диодов, проводить измерение и других фотоэлектрических параметров лавинных фотодиодов, таких какз начальный темновой ток — Те, коэФфициент лавин-. ного умножения " M, параметр Иилле10 ра — и, что существенно расширяет его функциональные воэможности.

1033992

Составнтель

Редактор В.Пилипенко Йехред И.Метелева

° Ю

КорректорО.)Билак, Филиал ППП Патент, г.ужгород, Ул.Проектная, 4

Закав 5619/49 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,,Ж-35, Раушская наб., д. 4/5