Способ термостабилизации фотодиода для измерения его электрических характеристик


 


Владельцы патента RU 2525151:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") (RU)

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода. Способ заключается в том, что исследуемую электрическую характеристику измеряют в выбранной последовательности точек, осуществляя контроль температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений. Из выбранной последовательности точек выбирают реперную точку вблизи максимального значения тока или напряжения при начальной температуре. Последовательно для каждой следующей точки проводятся измерения тока или напряжения, каждый раз после этого возвращаясь в реперную точку. При этом термостабилизация осуществляется следующим образом: после возврата в реперную точку определяют относительное изменение температуры фотодиода путем оценки смещения реперной точки от исходного положения при постоянной величине силы тока или напряжения, причем в качестве датчика температуры и управляющего элемента термостабилизации используют исследуемый фотодиод; путем изменения температуры фотодиода добиваются возврата реперной точки в исходное положение. Технический результат заключается в повышении точности измеряемой электрической характеристики фотодиода.

 

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода с целью более точного определения внутренней квантовой эффективности.

Известен способ термостабилизации [1], который реализуется в устройстве, содержащем фотодиод, включенный в фотогальваническом режиме и преобразователь ток-напряжение. Фотодиод и резистор обратной связи помещены в термостат и находятся в тепловом контакте с нагревателем и датчиком температуры термостата. Один из электродов фотодиода подключен к общей шине, а второй - ко входу преобразователя ток-напряжение и входу резисторов обратной связи, выход обратной связи соединен с выходом преобразователя ток-напряжение. Выход датчика температуры термостата подключен ко входу источника опорного напряжения и усилителю пропорционального регулятора, выход которого соединен со входом нагревателя.

Недостатком данного способа является то, что в устройстве, его реализующем, содержится дополнительный транзистор, используемый как датчик температуры, кроме того, возникающий градиент температуры между фотодиодом и датчиком температуры приводит к понижению точности поддержания температуры термостабилизации фоточувствительного элемента.

Известен способ термостатирования [2], являющийся наиболее близким к описываемому способу. В основе способа лежит использование фотоприемного устройства, содержащего фоторезистор, подключенный к инвертирующему входу усилителя, выход которого соединен со входом цепи усреднения, включенной на вход функционального преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующим входом усилителя, между инвертирующим входом усилителя и выходом цепи усреднения включен резистор, а второй выход фоторезистора подключен к общей точке источника питания.

При реализации этого способа датчиком температуры, формирующим термокомпенсационное воздействие, является сам фоточувствительный элемент, что повышает точность и упрощает устройство. Недостатком этого способа является то, что при этом не исключаются погрешности, вызванные температурными изменениями сигналов, которые можно уменьшить только термостатированием

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в том, чтобы повысить точность измерений электрических характеристик фотодиода и, в частности, повысить точность определения внутренней квантовой эффективности.

Решение данной задачи достигается за счет осуществления термостабилизации фотодиода в процессе измерения его электрических характеристик по предлагаемому в изобретении алгоритму, при этом в качестве термодатчика и управляющего элемента термостабилизации используется сам исследуемый фотодиод, что также позволяет упростить измерительную установку и снизить количество факторов, влияющих на точность измерений.

Таким образом, последовательность действий при реализации предлагаемого способа состоит в следующем: измеряют электрическую характеристику фотодиода в выбранной последовательности точек с контролем температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений, при этом согласно изобретению из выбранной последовательности точек выбирают реперную точку вблизи максимального значения тока или напряжения при начальной температуре; последовательно для каждой следующей точки проводятся измерения тока или напряжения, каждый раз после этого возвращаясь в реперную точку, при этом термостабилизация осуществляется следующим образом: после возврата в реперную точку определяют относительное изменение температуры фотодиода путем измерения (или оценки) смещения реперной точки от исходного положения при постоянной величине силы тока или напряжения, причем в качестве датчика температуры, т.е. управляющего элемента термостабилизации, используют исследуемый фотодиод; путем изменения температуры фотодиода, добиваются возврата реперной точки в исходное положение, тем самым возвращая температуру фотодиода к ее начальному значению и обеспечивая повышение точности измеряемой электрической характеристики фотодиода.

При измерениях электрических характеристик фотодиода внешнего температурного контроля недостаточно, поскольку нельзя точно контролировать температурные изменения на самом фотодиоде, что проявляется в нарушении повторяемости результатов при изменении на нем напряжения. В результате протекания тока фотодиод является источником тепловыделения, и его температура должна отличаться от температуры охлаждающего элемента. Полностью избавиться от этого эффекта невозможно, можно только уменьшить влияние такого нагрева.

В основу предлагаемого способа термостабилизации положено условие постоянства температуры на границе подложка фотодиода - поверхность охлаждающего элемента. Это можно реализовать за счет большой разницы в постоянных времени установления температурного равновесия в фотодиоде и охлаждающем элементе. Такой подход позволяет при необходимости учесть даже существенный нагрев полупроводника, поскольку известны граничные условия тепловой задачи.

Суть способа заключается в следующем. Для каждой электрической характеристики выбирается реперная точка с известными значениями силы тока или напряжения на фотодиоде вблизи максимальных их значений, чтобы его случайные флуктуации не сказывались на результате. Калибровка электрической характеристики в реперной точке выполняется после установления температурного режима в течение некоторого времени. Поскольку фотодиод является полупроводником, его можно использовать в качестве термодатчика. Отклонения силы тока или напряжения от калиброванного значения характеризуют относительные отклонения температуры в системе фотодиод - термостат от равновесного калиброванного распределения.

После выбора реперной точки обратная связь между термосопротивлением и термостатом прерывается и в дальнейшем управление температурным режимом осуществляется с использованием разности между измеренной силой тока на фотодиоде и его значением в реперной точке. Термосопротивление служит для определения температуры только в момент измерения.

Таким образом, процедура измерений электрических характеристик представляет собой несколько последовательно сменяющих друг друга стадий. В течение первой стадии напряжение источника устанавливают по откалиброванному значению для выполнения термостабилизации. При достижении критерия термостабилизации, при котором отклонение измеряемой силы тока не должно отклоняться больше, чем на фиксированную малую величину относительно откалиброванного значения, первая стадия заканчивается. На второй стадии устанавливается напряжение источника, необходимое для измерения следующей точки электрической характеристики, управление термостабилизацией отключается и температура термостата измеряется с помощью термосопротивления. Через некоторое время измерения прекращаются и вторая стадия заканчивается, после чего вновь включается термостабилизация и процесс повторяется.

Измерение силы тока на фотодиоде при постоянном напряжении более предпочтительно для измерения температуры, чем измерение напряжения на фотодиоде при постоянном токе, поскольку температурная зависимость силы тока нелинейная в отличие от аналогичной зависимости напряжения. Однако в рассматриваемом случае это не имеет значения, поскольку температура корректируется относительно откалиброванного значения тока в реперной точке.

Таким образом, включение самого исследуемого фотодиода в качестве датчика температуры и управляющего элемента в систему термостабилизации позволяет значительно повысить точность таких измерений. Благодаря применению предложенного способа термостабилизации погрешность измерения напряжения и тока на фотодиоде уменьшается на несколько порядков.

Способ найдет широкое применение в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения с помощью полупроводниковых фотодиодов в широких динамическом и спектральном диапазонах, вплоть до уровней счета фотонов.

Литература

1. Широкоапертурный прецизионный фотоприемник. ПТЭ, №1, 1999 г., с.101-104.

2. Свидетельство на полезную модель №27220, БИ №1, 2003 г., М. кл. G01J 1/44.

Способ термостабилизации фотодиода при измерении его электрических характеристик, заключающийся в том, что исследуемую электрическую характеристику измеряют в выбранной последовательности точек, осуществляя контроль температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений, отличающийся тем, что из выбранной последовательности точек выбирают реперную точку вблизи максимального значения тока или напряжения при начальной температуре; последовательно для каждой следующей точки проводятся измерения тока или напряжения, каждый раз после этого возвращаясь в реперную точку, при этом термостабилизация осуществляется следующим образом: после возврата в реперную точку определяют относительное изменение температуры фотодиода путем оценки смещения реперной точки от исходного положения при постоянной величине силы тока или напряжения, причем в качестве датчика температуры и управляющего элемента термостабилизации используют исследуемый фотодиод; путем изменения температуры фотодиода добиваются возврата реперной точки в исходное положение, тем самым возвращая температуру фотодиода к ее начальному значению и обеспечивая повышение точности измеряемой электрической характеристики фотодиода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. .

Пирометр // 2462693
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения.

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для контроля одиночных импульсов. .

Изобретение относится к области регистрации слабых оптических сигналов ближнего инфракрасного диапазона спектра, передающихся через оптические волоконные линии связи.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к приемникам светового излучения. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах регистрации оптического излучения с большим динамическим диапазоном.

Изобретение относится к светоизмерительной технике и касается устройства для преобразования яркости цветного излучения в коды. Устройство содержит корпус, микрообъектив, полупрозрачные микрозеркала, усилители импульсов, блок индикации и дисковые фотоприемные устройства. Каждое дисковое фотоприемное устройство содержит восемь фотоприемных секторов и восемь регистров сдвига. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного измерения яркости восьми цветных излучений с помощью одного преобразователя. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выделения одиночных импульсов на фоне низкочастотного шума. Устройство содержит датчик, первый и второй операционные усилители (ОУ1, ОУ2), первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй выпрямители, ограничитель, шину смещения. Инвертирующий вход ОУ1 соединен с первым выводом первого резистора, а выход соединен с входами первого и второго выпрямителей. Выход первого выпрямителя соединен с неинвертирующим входом ОУ2 и через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы с выходом второго выпрямителя и вторым выводом первого конденсатора. Первый вывод первого конденсатора соединен с общей шиной. Инвертирующий вход ОУ2 соединен через пятый конденсатор с первым выводом третьего резистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной. Выход ОУ2 соединен с первым выводом третьего резистора. Выход ограничителя через второй конденсатор соединен либо с инвертирующим входом ОУ1, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, либо с выходом датчика. Выход датчика через последовательно соединенные третий конденсатор и четвертый резистор соединен со вторым выводом третьего резистора и первым выводом первого резистора. Второй вывод первого резистора соединен через четвертый конденсатор с выходом датчика и непосредственно с входом ограничителя и выходом первого выпрямителя, который через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы соединен с выходом второго выпрямителя и вторым выводом первого конденсатора. При этом точка объединения пятого и шестого резисторов подключена к шине смещения. Технический результат заключается в упрощении устройства, уменьшении габаритов и повышении надежности. 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения. Устройство включает в себя фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, полевой транзистор, затвор которого подключен к обкладке первого конденсатора, источник управляющего напряжения, варикап и индуктивно-емкостной контур. Выход дифференциального усилителя через индуктивно-емкостной контур соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен ко второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, который через второй конденсатор подключен к его выходу. Катод варикапа через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения и через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а его исток является выходом устройства. Технический результат заключается в обеспечении высокой селективной чувствительности в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения. 1 ил.

Использование: для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, полевой транзистор, затвор которого подключен к второму выходу резистора, а сток и исток полевого транзистора подключены к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход триггера Шмитта является выходом устройства. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, расширения динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшения потребляемой мощности. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля переменного и импульсного оптического излучения. Фотодатчик переменного оптического излучения содержит фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя, при этом в него введены второй, третий резисторы и второй конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной и анодом фотодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора, через второй резистор соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, причем сток полевого транзистора подключен к источнику питания, а исток полевого транзистора является выходом устройства. Технический результат - повышение чувствительности фотодатчика к переменному оптическому сигналу в условиях большой постоянной освещенности и изменения уровня внешней засветки в широком диапазоне. 1 ил.

Изобретение относится к области приема оптических сигналов и касается однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов. Приемник включает в себя диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов с регулируемым потенциалом, блок управления, блок развертки, импульсный усилитель, импульсный дискриминатор, формирователи импульсов, генераторы тактовых и синхроимпульсов, реле и логические элементы. Кроме того, приемник содержит приемный телескоп с блоком управления и светофильтр. Технический результат заключается в увеличении вероятности правильного обнаружения сигнала, снижении времени поиска и уменьшении временной неопределенности приема импульсных сигналов. 15 ил.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения. В предложенном способе коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП нелинейная температурная зависимость конкретного ФЭП определяется непосредственно перед тепловакуумными испытаниями путем измерения показаний температуры и освещенности ФЭП на разных уровнях освещенности, построением и аппроксимацией графиков полученных данных, анализом угловых коэффициентов зависимостей с последующим построением и решением трансцендентного уравнения. Получены следующие результаты: коррекция собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП осуществляется аналитическим способом, исключая при этом ввод в вакуумную камеру дополнительных термостабилизирующих устройств. При этом в процессе ТВИ корректируются отклонения в показаниях ФЭП от реально установленной освещенности в пределах ±12%. Технический результат - упрощение способа коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство содержит последовательно соединенные лавинный фотодиод, усилитель и фильтр, а также компаратор, дискриминатор длительности импульсов, регулируемый источник питания, блок оценки сигналов, источник опорного напряжения, высокочастотный генератор и блок синхронизации. Кроме того, устройство включает в себя последовательно соединенные дополнительный усилитель и детектор. При этом выход детектора соединен с первым входом компаратора, вход дополнительного усилителя соединен с фильтром. В качестве фильтра используется полосовой фильтр с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя. Технический результат заключается в увеличении отношения сигнал/шум при регулировании коэффициента умножения лавинного фотодиода непосредственно по принимаемому оптическому сигналу. 2 ил., 1 табл.
Наверх