Способ измерения фототока фотодиодного приемника излучения

 

Использование: изобретение найдет применение в метрологическом обеспечении фотометров, научных исследованиях, а также для определения параметров самих фотодиодов. Сущность изобретения: между выводами фотодиода измеряют напряжение, при котором ток фотодиода равен половине ранее измеренного значения, затем измеряют напряжение в режиме холостого хода, а также температуру фотодиода, при этом фиксируют значения алгебраических величин тока и напряжения, а о величине фототока судят по тому значению протекающего через фотодиод тока, при котором сопротивление между выводами фотодиода оказывается равным величине, определяемой по формуле. 2 ил.

Изобретение относится к фотометрии и может найти применение в метрологическом обеспечении фотометров, научных исследованиях, а также для определения параметров самих фотодиодов. С наибольшей эффективностью предложенный способ может быть использован в тех случаях, когда для проведения измерений и обработки их результатов предусмотрено применение процессорной и вычислительной техники.

Известен способ измерения фототока фотодиодных приемников излучения, в соответствии с которым его определяют по разности между током, текущим через фотодиод при воздействии на него потока излучения, и током затемненного фотодиода при фиксированном напряжении на его выводах [1] В соответствии с принципом действия фотодиода его фототок, взятый в "чистом виде", определяется только величиной потока излучения и не зависит при этом от напряжения, приложенного к выводам фотодиода. Но такой фототок может быть определен известным способом лишь приближенно. В самом деле, в реальном фотодиоде ток текущий через него, т.е. так называемый общий ток, не является суммой фототока и темнового тока, даже если оба этих тока измеряют при одном и том же напряжении между выводами фотодиода. Происходит это вследствие того, что в реальном фотодиоде полупроводниковый материал, на базе которого сформирован p-n-переход, сам обладает некоторым сопротивлением, порой достигающим нескольких сотен ом, которое оказывается последовательно соединенным с p-n-переходом. Это приводит к тому, что ввиду неодинаковости токов освещенного и затемненного фотодиода падение напряжения на сопротивление материала полупроводника оказывается различным. Поэтому при фиксированном напряжении между выводами фотодиода напряжение, приложенное непосредственно к p-n-переходу, оказывается также различным. Это означает, что и токи, обусловленные отклонением состояния p-n-перехода от равновесного, оказываются различными и не исчезают полностью в разности между токами освещенного и затемненного фотодиодов.

Кроме того, реализация рассматриваемого способа сопряжена с необходимостью применения тех или иных приспособлений, обеспечивающих затемнение фотодиода, что усложняет конструкцию оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ измерения фототока фотодиодного приемника излучения, в котором ток, текущий через фотодиод, находящийся под воздействием потока излучения, измеряют в режиме короткого замыкания между выводами фотодиода и по нему судят о величине фототока. В этом способе фототок просто принимают равным току короткого замыкания фотодиода [2] Такой способ удобен тем, что не требует приспособлений для затемнения фотодиода. В какой -то мере он является частным случаем рассмотренного выше способа [1] Фиксированным напряжением между выводами фотодиода в нем является напряжение, равное нулю. При этом заранее известен и равен нулю ток затемненного фотодиода, ибо его p-n -переход в этом случае оказывается в состоянии динамического равновесия. Поэтому и отпадает необходимость в затемнении фотодиода.

Однако при освещенном фотодиоде, даже если он находится в режиме короткого замыкания, p-n -переход все же выходит из состояния равновесия и возникающий при этом ток накладывается на фототок, вызывая погрешность в определении последнего. Происходит это по той же причине, как и в случае [1] фототок вызывает падение напряжения на сопротивлении материала полупроводника, соединенного последовательно с p-n-переходом, в результате чего напряжение, приложенное к самому p-n-переходу, оказывается отличным от нуля, т.е. сам p-n-переход не находится в режиме короткого замыкания.

Задача изобретения повышение точности измерения датчика фотодиодного приемника излучения.

Для решения указанной задачи в способе измерения фототока фотодиодного приемника излучения, в котором, ток I₁, текущий через фотодиод, находящийся под воздействием потока излучения, измеряют при фиксированном напряжении U₁ между выводами фотодиода, при котором I₁не равен 0 (например, в режиме короткого замыкания), и результат измерения используют для определения фототока, согласно изобретению дополнительно устанавливают между выводами фотодиода напряжение U₂ такой величины, при которой ток фотодиода равен половине ранее измеренного тока I₁, и фиксируют его значение, измеряют также напряжение U_xx между выводами фотодиода в режиме холостого хода и температуру Т фотодиода, причем фиксируют значения алгебраических величин тока I₁ и указанных напряжений, соответствующие условно положительным направлениям, выбранным от "анода" фотодиода к его "катоду", а о величине фототока судят по тому значению, протекающего через фотодиод тока, при котором сопротивление между выводами фотодиода оказывается равным величине, определяемой по формуле: где k постоянная Больцмана; q заряд электрона; причем знак перед корнем квадратным берут совпадающим со знаком значения величины На фиг. 1 изображена эквивалентная схема реального фотодиода в режиме постоянного тока, на фиг. 2 один из вариантов схемы устройства, реализующего измерение тока фотодиода, при котором его сопротивление принимает какое-либо заданное значение.

Эквивалентная схема реального фотодиода, изображенная на фиг.1, содержит реальный фотодиод 1, обведенный пунктирной линией, который представлен в виде последовательного соединения "идеального" фотодиода 2, т.е. p-n-перехода реального фотодиода и сопротивления 3 материала полупроводника.

Схема, изображенная на фиг. 2, содержит реальный фотодиод 1, изображенный в виде своей эквивалентной схемы, магазин резисторов 2 изображенный в виде переменного резистора, резисторы 3 и 4, регулируемый источник напряжения постоянного тока 5 с каким-либо, не обязательно малым, внутренним сопротивлением, миллиамперметр 6, с малым входным сопротивлением и индикатор нуля (7). Фотодиод 1, магазин резисторов 2, резисторы 3, 4 и входное сопротивление миллиамперметра 6, желательно пренебрежимо малое, образуют мост, в одну из диагоналей которого включен источник напряжения 5, а в другую - индикатор нуля 7. Будет считать, что резисторы 3 и 4 равны друг другу. В качестве миллиамперметра 6 может быть использован, например, преобразователь ток напряжение, выполненный в виде операционного усилителя с цепью отрицательной обратной связи, входное сопротивление которого является, как известно весьма малым. В качестве магазина резисторов может быть использована резистовая матрица, управляемая с помощью устройств процессорной техники.

Способ реализуется следующим образом. Известно, что вольт-амперная характеристика p-n -перехода, соответствующая условно выбранным положительным направлениям, изображенным на фиг. 1, имеет следующий вид

где I ток, протекающий через p-n-переход;
I₀ темповый ток насыщения;
U_п напряжение, приложенное к p-n-переходу, которое представляет собой отклонение величины потенциального барьера от своего равновесного значения;
I_ф- фототок, взятый по модулю, и подлежащий измерению;
q заряд электрона;
k постоянная Бельцмана;
T температура p-n-перехода.

I₀>0 и зависит от температуры Т p-n-перехода. Величина I_ф, которая подлежит измерению, определяется формулой:
I_ф = nΦ, (2)
где Φ поток излучения, падающий на фотодиод;
n коэффициент пропорциональности, который, по-видимому, зависит от температуры.

В режиме короткого замыкания p-n-перехода, т.е. при U_п
I=-I_ф
Однако в режиме короткого замыкания между выводами реального фотодиода напряжение, приложенное к p-n-переходу, оказывается отличным от нуля ввиду наличия сопротивления 3 материала полупроводника, изображенного на фиг. 1.

Действительно, имеет место очевидное соотношение:
U_п=U-r·I,
где U напряжение между выводами реального фотодиода 1;
r сопротивление материала полупроводника, изображенного на фиг. 1 в виде резистора 3.

Поэтому вольт-амперная характеристика реального фотодиода может быть представлена в виде:

причем величина r зависит от температуры, а, возможно и от величины потока излучения.

Из выражения (4) видно, что в режиме короткого замыкания реального фотодиода, т.е. при U=0 ток, текущий через фотодиод, не совпадает с фототоком I_ф и даже не пропорционален ему. Более того, он связан с I_ф посредством функции, выраженной в неявной форме. При этом он зависит и от температуры, и от величины r, которая неизвестна и в свою очередь сама зависит от температуры.

В предложенном способе устанавливают между выводами фотодиода 1 какое-либо напряжение U₁, при котором ток I₁ фотодиода отличен от нуля, и измеряют значение величины I₁. Например, устанавливают U₁=0 и измеряют ток короткого замыкания фотодиода.

В общем случае величины I₁ и U₁ в соответствии с формулой (4) оказываются связанными следующим образом

Затем устанавливают такое напряжение U₂ между выводами фотодиода, при котором ток, текущий через него, равен I₁/2. Этому случаю соответствует такое соотношение:

Кроме того, измеряют напряжение U_xx холостого хода фотодиода, т.е. напряжение, при котором ток фотодиода равен нулю. При этом имеет место такая связь:

С учетом этого соотношения выражения (5) и (6) могут быть представлены в виде:


из которых можно исключить I₀ и прийти к соотношению:

Если числитель и знаменатель правой части выражения (10) разделить на то получим:

Введем для кратности следующие обозначения:

тогда выражение (11) перепишется в виде:

причем, очевидно, ax-b не равно 0.

Отсюда
x²-2ax+b=0 (15)
Таким образом, величина

содержащая неизвестное сопротивление r материала полупроводника, определяется как решение квадратного уравнения (15):

Можно показать, что величина a²-b всегда положительна. Что же касается знака перед квадратным корнем, то он совпадает со знаком первоначально установленного значения величины I₁. Действительно, из соотношений (8) и (9) следует, что

Умножим обе части этого равенства на
,
тогда

или, учитывая соотношения (12) и (13):

Из выражения (17) видно, что знак величины (x -a) совпадает со знаком I₁, так как I₀>0 и Но этот результат может быть совместным с соотношением (16) лишь в том случае, если знаки перед корнем квадратным и значением величины I₁ совпадают. На основании (12) и (16) имеем:

причем знак перед квадратным корнем совпадает со знаком величины I₁.

Отметим, что совокупность предложенных измерительных операций позволила выразить величину r через измеренные величины (I₁, U₁, U₂, U_xx) в аналитической форме, избежав решения сложного трансцендентного уравнения. Температуру фотодиода Т, входящую в формулу (18) измеряют, например, с помощью терморезистора. При этом в случае, если крепление фотодиода обеспечивает хороший теплоотвод и к тому же имеется достаточный теплообмен с окружающей средой, то измерение температуры фотодиода сводится к измерению температуры среды, в которую он погружен.

На заключительном этапе определения фототока I_ф устанавливают с помощью регулировки тока текущего через фотодиод, либо напряжения, выделяемого на нем, сопротивление между выводами фотодиода, равное значению r, определенному по формуле (18), и измеряют соответствующий этому сопротивлению ток фотодиода. Этот ток по абсолютной величине оказывается равным фототоку I_ф.

Действительно, соотношение (4) можно представить в виде:

где R сопротивление фотодиода, определяемое соотношением:

Но если сопротивление R фотодиода принимает значение r, то, как явствует из соотношения (19),

Реализация первых четырех операций вряд ли нуждается в каких-либо пояснениях. Что же касается последней, заключительной операции, то ее реализация может показаться сложной. Тем не менее и она на наш взгляд довольно проста. Вариант ее, далеко не единственный, изображен на фиг. 2. Измерение тока фотодиода при заданном сопротивлении между его выводами проводят следующим образом. Устанавливают сопротивление магазина 2, равное значению r, полученному с помощью формулы (18); устанавливают такую полярность напряжения источника (5), при которой ток через фотодиод течет в обратном направлении, и регулировкой напряжения источника 5 уравновешивают мост. При этом сопротивление фотодиода принимает значение, равное сопротивлению магазина сопротивлений 2, а ток, измеренный в состоянии равновесия места, совпадает по модулю с величиной I_ф. Все измерительные операции и переходы между ними могут быть автоматизированы посредством процессорной и вычислительной техники по специально разработанной программе.

Таким образом, предложенный способ, позволяет определить фототок фотодиодного приемника излучения, пропорциональный потоку излучения в соответствии с соотношением (2), что имеет важное значение для метрологического обеспечения фотометров и для проведения точных измерений в научных исследованиях в области фотометрии.

Предложенный способ может быть использован также и для определения параметров самих фотодиодов, например, температурного коэффициента величины n, входящей в выражение (2). В известных способах измерения фототока зависимость n от температуры как бы замаскирована совокупным действием других подверженных влиянию температуры факторов, вплоть до того, что при определенных условиях температурные зависимости различной природы взаимно компенсируют друг друга. В силу этих причин известные способы определения фототока оказываются в какой-то мере удачными с точки зрения не очень точных измерений. При этом возникает видимость отсутствия зависимости величины n от температуры, ибо в известном способе ток короткого замыкания фотодиода, слабо зависящий от температуры, отождествляется с фототоком I_ф. Этим, видимо, объясняется то обстоятельство, что в литературе по фотометрии ничего не говорится о зависимости n от температуры.

Между тем, такая зависимость, скорее всего, имеется, хотя бы потому, что воспринимающая поток излучения поверхность фотодиода не является поверхностью абсолютно черного тела, либо даже "серого" тела.

При точных же измерениях необходимо считаться с зависимостью тока короткого замыкания фотодиода от температуры, которая имеет немонотонный характер. Вид соответствующей функции, например, положение максимума, зависит от потока излучения, что затрудняет термокомпенсацию. Напротив, в предложенном способе зависимость величины n, а следовательно, и I_ф от температуры "обнажается", но характер этой зависимости при различных значениях величины Φ потока излучения остается неизменным, что создает возможность достичь более эффективной термокомпенсации.

Следует также отметить, что величину I_ф можно измерить, не прибегая к определению r, а воспользоваться, например, соотношением (7). Однако это сопряжено с определением величины I_о, которую обычно измеряют при затемненном фотодиоде путем подачи на него достаточно большого отрицательного напряжения. Так как I_o зависит от температуры, то затемнение необходимо производить при каждом акте измерения I_ф, а это влечет за собой необходимость использования в измерительной установке перемещающихся деталей, что не всегда оказывается удобным. В предложенном же способе информация о величине I_o является излишней, и процесс измерения осуществляется одними лишь "электронными" манипуляциями.

Формула изобретения

Способ измерения фототока фотодиодного приемника излучения, в котором ток I₁, текущий через фотодиод, находящийся под действием потока излучения, измеряют при фиксированном напряжении U₁ между его выводами и результат измерения используют для определения фототока, отличающийся тем, что дополнительно измеряют также напряжение U₂ между выводами фотодиода, при котором ток фотодиода равен половине ранее измеренного значения I₁, а затем измеряют напряжение U_хх между выводами фотодиода в режиме холостого хода, температуру Т фотодиода, при этом фиксируют значение алгебраических величин тока I₁ и указанных напряжений, а о величине фототока судят по тому значению протекающего через фотодиод тока, при котором сопротивление r между выводами фотодиода оказывается равным величине, определяемой по формуле

где К постоянная Больцмана;
q заряд электрона;


причем знак перед корнем квадратным в указанной формуле берут совпадающим со знаком значения величины I₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2