Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ик фпу



Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ик фпу
Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ик фпу
Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ик фпу
Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ик фпу

 


Владельцы патента RU 2529200:

Открытое акционерное общество "НПО "Орион" (RU)

Изобретение относится к способам измерения параметров инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ), работающих в режиме накопления. Технический результат - повышение производительности измерения. Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительного элемента (ФЧЭ) включает установку ФПУ на заданном расстоянии от излучающей поверхности протяженного абсолютно черного тела (АЧТ), выставляют заданную температуру излучения АЧТ и регистрируют величины сигналов всех ФЧЭ при нулевом времени накопления и заданном времени накопления, а перед третьей регистрацией сигналов ФЧЭ уменьшают коэффициент черноты АЧТ, оставляя его температуру неизменной, проводят третью регистрацию величины сигналов всех ФЧЭ при заданном времени накопления и заданной температуре АЧТ и рассчитывают величины квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ по трем измеренным массивам сигналов. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам измерения параметров инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ), работающих в режиме накопления. Эти устройства являются сложными высокотехнологичными приборами. Они работают в диапазонах 1-2,8 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм и далее вплоть до 100-150 мкм, включают матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ), содержащую от более 1000 (формат 4×288) фотодиодов, до более чем 1000000 (формат 1280×1024) фотодиодов, состыкованных с таким же количеством ячеек интегрального кремниевого мультиплексора. Мультиплексор выполняет накопление фототоков фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в ячейках, поэлементное считывание накопленных зарядов, преобразование их в напряжение, предварительное усиление и вывод сигналов, как правило, на несколько выходов с заданной частотой кадров. Современные мультиплексоры-процессоры кроме этого преобразуют выходной сигнал из аналоговой формы в цифровую форму и осуществляют предварительную цифровую обработку сигналов. При этом рабочая температура матрицы и мультиплексора может быть и достаточно низкой, чтобы снизить обратные токи ФЧЭ. Это достигается расположением их в вакуумированном корпусе на холодном пальце микрокриогенной системы, также представляющей собой сложное электронно-механическое устройство.

ИК ФПУ обязательно включает следующие составные части:

- светонепроницаемый корпус;

- входное окно в корпусе, как правило, просветленное в заданной части спектра;

- светонепроницаемый и охлаждаемый экран с окном (диафрагмой), соосной с входным окном;

- светофильтр, расположенный в охлаждаемом экране (если необходим);

- МФЧЭ, окруженная светонепроницаемым экраном, соосная с диафрагмой и входным окном ФПУ;

- МОП мультиплексор, состыкованный поэлементно с МФЧЭ;

- плата с контактными дорожками (сапфир, кремний и т.д.), на которой закреплен мультиплексор с МФЧЭ и разварены его контакты;

- система охлаждения или фиксации рабочей температуры (если необходима), на которой закреплен экран, растр с контактными дорожками, со сборкой МФЧЭ-мультиплексор и с датчиком температуры.

При изготовлении ФПУ необходимо контролировать параметры всех его составных частей, т.к. от них зависят параметры будущего устройства.

Входное окно, светонепроницаемый экран, охлаждаемый светофильтр, растр с контактными дорожками, система охлаждения или фиксации рабочей температуры МФЧЭ и мультиплексор контролируются до сборки ФПУ и все их параметры известны.

МФЧЭ косвенно контролируется до сборки ФПУ по нескольким тестовым ФЧЭ, расположенным вне матрицы. Их измеряемые параметры - относительная спектральная чувствительность, токовая чувствительность, темновой ток, вольтамперная характеристика (ВАХ) и дифференциальное сопротивление. В самой МФЧЭ до сборки известен лишь шаг ФЧЭ, размеры фоточувствительного поля и формат матрицы.

Таким образом, из всех компонент ФПУ косвенно контролируемой (по ФЧЭ-спутникам) компонентой является лишь МФЧЭ.

В то же время МФЧЭ определяет все важнейшие параметры ФПУ. Этими параметрами являются: пороговая облученность (NEI), пороговая мощность (NEP), удельная обнаружительная способность (D), пороговая разность температур (NETD), динамический диапазон, токовая и вольтовая чувствительности, однородность характеристик по площади МФЧЭ, количество дефектных ФЧЭ.

Параметрами, ответственными за эти характеристики, является квантовая эффективность и темновой ток ФЧЭ. Практически, они определяют все характеристики ИК ФПУ.

Для нормальной работы ФПУ чрезвычайно важно, чтобы однородность этих параметров по всем ФЧЭ была бы не хуже заданной величины. Кроме этого необходимо, чтобы величина темнового тока IT не превышала некоторое граничное значение IO, а величина квантовой эффективности η была бы не ниже граничного значения ηO. Все ФЧЭ, не удовлетворяющие подобным требованиям, считаются дефектными.

Для современных ФПУ количество дефектных элементов не должно превышать величину от 0,1 до 1%.

По этим причинам необходим надежный, автоматизированный и корректный способ контроля величины квантовой эффективности и темнового тока каждого ФЧЭ ИК ФПУ с целью определения количества дефектных элементов в матрице.

Известен способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ИК ФПУ [заявка на изобретение №2012108772 от 07.03.2012 г., МКИ H01J 40/14, Решение о выдаче патента от 11.03.2013].

В известном способе ФПУ устанавливают на заданном расстоянии от излучающей поверхности протяженного АЧТ, выставляют первую заданную температуру излучения АЧТ и регистрируют величины сигналов всех ФЧЭ при нулевом времени накопления и заданном времени накопления, устанавливают вторую заданную температуру излучения АЧТ, отличающуюся от первой на заданную величину δТ, и регистрируют величины сигналов всех ФЧЭ при заданном времени накопления. Затем по трем измеренным массивам сигналов автоматически рассчитывают величины квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ.

Недостатком указанного способа является необходимость измерения сигналов ФЧЭ при двух разных температурах АЧТ, т.к. при этом перестройка температуры занимает около 20-30 минут, что повышает трудоемкость измерения и, соответственно, его стоимость.

Задачей заявляемого способа является снижение трудоемкости измерения квантовой эффективности и темнового тока ФЧЭ в матрицах ФПУ.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения квантовой эффективности и темнового тока ФЧЭ ФПУ устанавливают на заданном расстоянии от излучающей поверхности протяженного АЧТ, выставляют заданную температуру излучения АЧТ и регистрируют величины сигналов всех ФЧЭ при нулевом времени накопления и заданном времени накопления, а перед третьей регистрацией сигналов ФЧЭ уменьшают коэффициент черноты АЧТ, оставляя его температуру неизменной, проводят третью регистрацию величины сигналов всех ФЧЭ при заданном времени накопления и заданной температуре АЧТ и рассчитывают величины квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ по трем измеренным массивам сигналов.

Технический результат достигается также тем, что расстояние L от МФЧЭ до излучающей поверхности протяженного АЧТ удовлетворяет соотношению

L l D + d 1 d + d 1 ,

величину квантовой эффективности ηij каждого ФЧЭ рассчитывают по формуле

η i j = Δ U 23 i j K 0 K 1 K n p i j ( ε 1 ε 2 ) N 0 ( T ) A s q C н τ н

а величину темнового тока ФЧЭ ITij рассчитывают по формуле

I T i j = [ Δ U 21 i j ε 1 ( ε 1 ε 2 ) Δ U 23 i j ] C н τ н

где D - минимальный линейный размер излучающей поверхности АЧТ, см;

d - максимальный линейный размер охлаждаемой диафрагмы, см;

l - расстояние от МФЧЭ до охлаждаемой диафрагмы, см;

d1 - диагональ фоточувствительного поля, см;

τн - заданное время интегрирования, с;

ΔU21ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τн0 и при τн=0, температуре АЧТ Т и коэффициенте черноты АЧТ ε1, В;

ΔU23ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τн0 и коэффициентах черноты АЧТ ε1 и ε2, В;

Сн - заданная величина накопительной емкости в ячейке ФПУ, Ф;

As - заданная площадь фоточувствительного элемента, см2;

q - заряд электрона, 1,6·10-19 К;

N0(T) - рассчитанная интегральная фотонная облученность от АЧТ при температуре Т, фот·см-2·с-1;

ε1 и ε2 - измеренные коэффициенты черноты АЧТ;

К0 - измеренный коэффициент пропускания окна ФПУ;

К1 - измеренный коэффициент пропускания охлаждаемого светофильтра;

Knpij - рассчитанный коэффициент пропускания холодной диафрагмы для ФЧЭ с индексами ij.

Сущность заявляемого способа состоит в следующем.

При расположении протяженного АЧТ на расстоянии, не превышающем заданную величину L все ФЧЭ «видят» только однородный по температуре фон. Тогда сигнал каждого ФЧЭ, регистрируемый при облучении сквозь охлаждаемую диафрагму, описывается следующим выражением [А.И.Патрашин, И.Д.Бурлаков, А.А.Лопухин, Н.И.Яковлева, Экспериментальное исследование метода расчета параметров ИК ФПУ, Прикладная физика, 2012, принято в печать]:

U Ф i j ( I T i j , η i j , ε , T , τ н ) = τ н С н I T i j + A s N ф i j ( ε , T ) q τ н С н η i j + U c o n s t i j

где Тфij(ε, T) - фотонная облученность ФЧЭ с индексом ij, фотонов/см2·с;

Uconstij - постоянное напряжение выходного сигнала мультиплексора от ячейки с индексом ij, являющееся точкой отсчета нулевого сигнала, соответствующее нулевому фототоку и темновому току ФЧЭ с индексом ij, В.

Сигнал ФЧЭ содержит три неизвестные величины - темновой ток, квантовую эффективность и Uconst. Следовательно, если провести три измерения сигналов всех ФЧЭ при разных условиях, то для каждого ФЧЭ мы получим систему трех уравнений с тремя неизвестными IT, η и Uconst. Решая такую систему уравнений относительно темнового тока, квантовой эффективности и Uconst мы определим указанные параметры.

Первое измерение сигнала проводится при τн=0.

Второе измерение сигнала проводится при значении τн0, коэффициенте черноты АЧТ ε1 и температуре излучения Т.

Третье измерение проводится при значении τн0, коэффициенте черноты АЧТ ε2 и той же температуре излучения Т.

Рассмотрим систему уравнений, соответствующих указанным измерениям.

Сигналы, регистрируемые при заданной температуре излучения Т, заданных коэффициентах черноты АЧТ ε1 и ε2 и заданных временах накопления 0 и τ0, определяются следующими выражениями:

U0ij(ITij, ηij, ε1, T, 0)=Uconstij

U 1 i j ( I T i j , η i j , ε 1 , T , τ 0 ) = τ 0 С н I T i j + A s N ф i j ( ε 1 , T ) q τ 0 С н η i j + U c o n s t i j

U 2 i j ( I T i j , η i j , ε 2 , T , τ 0 ) = τ 0 С н I T i j + A s N ф i j ( ε 2 , T 2 ) q τ 0 С н η i j + U c o n s t i j

Здесь Nфij1, T) и Nфij2, T) - расчетные экспериментально-конструктивные параметры, определяемые следующими соотношениями [А.И. Патрашин, Теоретическое исследование фоновых облученностей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов, Прикладная физика, № 3, 2011, С. 98]:

Nфij1, T)=K0·K1·Knpij·ε1·N0(T),

Nфij2, T)=K0·K1·Knpij·ε2·N0(T),

где N0(T) - расчетная величина интегральной облученности, создаваемой идеальным АЧТ с температурой Т, фотонов/см2·с;

Коэффициент пропускания холодной диафрагмы произвольной формы определяется следующим выражением [А.И.Патрашин, Теоретическое исследование фоновых облученностей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов, Прикладная физика, № 3, 2011, С. 98]:

K n p i j = 1 π 0 2 π R 0 ( φ ) ρ l 2 [ l 2 + ( ρ cos φ x i ) 2 + ( ρ sin φ y j ) 2 ] 2 d p d φ

где xi, yj - координаты центра ФЧЭ с индексами i, j;

l - расстояние от диафрагмы до матрицы, см;

R(ϕ) - радиус-вектор диафрагмы, определяющий ее форму, см;

ρ и ϕ - радиус и угол интегрирования в полярных координатах плоскости диафрагмы, см, радиан.

Индексы ij определяют ФЧЭ с координатами центра, удовлетворяющими следующим соотношениям:

x i = i a x a x 2 a 2 ;

y j = j b y b y 2 b 2

где ax и by - известные размеры ФЧЭ по осям x и у;

a и b - известные размеры фоточувствительного поля матрицы;

i и j - индексы, определяющие номер ФЧЭ в строке и столбце.

Интегральная облученность от ИК АЧТ с температурой Т выражается законом Планка, имеет размерность фотонов·см-2·с-1 и определяется следующим выражением:

N 0 ( T ) = λ 1 λ 2 2 π c λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ

где c=2,998·1010 см·с-1 - скорость света;

kB=1,381-10-23 Вт·с·К-1 - постоянная Больцмана;

h=6,626-10-34 Вт·с2 - постоянная Планка.

Коэффициент черноты стандартного АЧТ составляет величину ε1=0,92 -0,98. В нашем случае АЧТ должен иметь и второе значение коэффициента черноты ε2=0,2-0,4. Это реализуется достаточно просто, а оба коэффициента черноты измеряются при аттестации или поверке АЧТ.

Решая вышеуказанную систему уравнений относительно ITij и ηij получим следующие выражения для их определения:

η i j = Δ U 23 i j K 0 K 1 K n p i j ( ε 1 ε 2 ) N 0 ( T ) A s q C н τ н

I T i j = [ Δ U 21 i j ε 1 ( ε 1 ε 2 ) Δ U 23 i j ] C н τ н

Значения ηij представляют собой средние по спектру чувствительности ФЧЭ величины квантовой эффективности, которые при заданной постоянной температуре фона определяются следующим выражением:

η = λ 1 λ 2 2 π с η ( λ ) λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ λ 1 λ 2 2 π с λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ

При проведении расчетов используется также средняя величина коэффициента пропускания входного окна ФПУ K0 и средняя величина коэффициента пропускания охлаждаемого светофильтра K1, определяемые следующими выражениями:

K 0 = λ 1 λ 2 2 π с K 0 ( λ ) λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ λ 1 λ 2 2 π с λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ

K 1 = λ 1 λ 2 2 π с K 1 λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ λ 1 λ 2 2 π с λ 4 [ exp ( c h λ k B T ) 1 ] d λ

где K0(λ) и K1(λ) - измеренные спектры пропускания входного окна и охлаждаемого светофильтра. Эти спектры имеют очень слабую зависимость в заданном спектральном интервале и поэтому средние коэффициенты пропускания окна и фильтра справедливо считать постоянными. Ошибка при этом не превышает 2-3%.

Вся обработка массивов автоматически проводится на компьютере.

Заявленный способ свободен от недостатков известного способа. Он позволяет повысить производительность способа измерения, например поворотом плоского АЧТ с двумя излучающими поверхностями на 180°, что позволит уменьшить время измерений, по крайней мере, на 30 минут без изменения температуры АЧТ.

В результате, зная параметры всех ФЧЭ, можно автоматически получить все параметры ФПУ: пороговую облученность (NEI), пороговую мощность (NEP), удельную обнаружительную способность (D*), пороговую разность температур (NETD), динамический диапазон, токовую и вольтовую чувствительности, однородность характеристик по площади МФЧЭ и количество дефектных ФЧЭ.

1. Способ измерения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов в матрице ИК ФПУ, включающий установку фотоприемного устройства на заданном расстоянии от излучающей поверхности протяженного абсолютно черного тела (АЧТ), выставление заданной температуры излучения АЧТ, регистрацию величины сигналов всех фоточувствительных элементов (ФЧЭ) при нулевом времени накопления и заданном времени накопления, отличающийся тем, что перед третьей регистрацией сигналов ФЧЭ уменьшают коэффициент черноты АЧТ, оставляя его температуру неизменной, проводят третью регистрацию величины сигналов всех фоточувствительных элементов при заданном времени накопления и заданной температуре АЧТ и расчет величины квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ по трем измеренным массивам сигналов.

2. Способ по п.1, заключающийся в том, что расстояние L от матрицы фоточувствительных элементов до излучающей поверхности протяженного АЧТ удовлетворяет соотношению
L l D + d 1 d + d 1 ,
величину квантовой эффективности ηij каждого фоточувствительного элемента рассчитывают по формуле
η i j = Δ U 23 i j K 0 K 1 K n p i j ( ε 1 ε 2 ) N 0 ( T ) A s q C н τ н
а величину темнового тока фоточувствительного элемента ITij рассчитывают по формуле
I T i j = [ Δ U 21 i j ε 1 ( ε 1 ε 2 ) Δ U 23 i j ] C н τ н
где D - минимальный линейный размер излучающей поверхности АЧТ, см;
d - максимальный линейный размер охлаждаемой диафрагмы, см;
l - расстояние от матрицы фоточувствительных элементов до охлаждаемой диафрагмы, см;
d1 - диагональ фоточувствительного поля, см;
τн - заданное время интегрирования, с;
ΔU21ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τн0 и при τн=0, температуре АЧТ Т и коэффициенте черноты АЧТ ε1, В;
ΔU23ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τн0 и коэффициентах черноты АЧТ ε1 и ε2, В;
Сн - заданная величина накопительной емкости в ячейке ФПУ, Ф;
As - заданная площадь фоточувствительного элемента, см2;
q - заряд электрона, 1,6·10-19 К;
N0(T) - рассчитанная интегральная фотонная облученность от АЧТ при температуре Т, фот·см-2·с-1;
ε1 и ε2 - измеренные коэффициенты черноты АЧТ;
K0 - измеренный коэффициент пропускания окна ФПУ;
K1 - измеренный коэффициент пропускания охлаждаемого светофильтра;
Knpij - рассчитанный коэффициент пропускания холодной диафрагмы для ФЧЭ с индексами ij.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано при изготовлении приборов ночного видения с электронно-оптическими преобразователями второго - третьего поколений с микроканальными пластинами.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов ночного видения с электронно-оптическими преобразователями второго-третьего поколений с микроканальными пластинами.

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано в приборах ночного видения с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) и пьезоэлементами.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для адаптивных фотоэлектрических преобразователей, в которых преобразование построено на базе электронно-вакуумных трубок с применением вторичных электронных усилителей (ВЭУ), для регистрации оптических сигналов, изменяющихся в широком динамическом и временном диапазоне освещенности и контрастов в быстропротекающих процессах.

Изобретение относится к технической физике. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации. Технический результат: расширение допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R0. Устройство содержит первый (1) и второй (2) токовые входы, первый (3) и второй (4) входные транзисторы с объединенными базами, первый (5) и второй (6) вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения (7), эмиттеры подключены к шине первого (8) источника питания через соответствующие первый (9) и второй (10) токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, третий (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором первого (3) входного транзистора, четвертый (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором второго (4) входного транзистора, первый (14) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого (3) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер связан с первым (15) выходом устройства и через пятый (16) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания, второй (17) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго (4) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер соединен со вторым (18) выходом устройства и через шестой (19) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания. Первый (1) и второй (2) токовые входы устройства подключены к эмиттерам соответствующих первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между первым (15) и вторым (18) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (20) и второй (21) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с базами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между эмиттерами первого (5) и второго (6) вспомогательных транзисторов включены последовательно соединенные третий (22) и четвертый (23) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с коллектором первого (24) дополнительного транзистора, эмиттер которого связан с общей шиной (25) первого (8) и второго (12) источников питания, а база соединена с общим узлом пятого (26) и шестого (27) последовательно соединенных дополнительных резисторов, включенных между первым (1) и вторым (2) токовыми входами устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи. Техническим результатом является повышение быстродействия. Устройство содержит: первый (1) и второй (2) токовые входы устройства, токовый выход (3) устройства, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы с объединенными базами, третий (6) и четвертый (7) выходные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, первый (8) источник опорного тока, первое (9) токовое зеркало, согласованное с первой (10) шиной источника питания, второе (11) токовое зеркало, согласованное со второй (12) шиной источника питания, дополнительное токовое зеркало (13), согласованное со второй (12) шиной источника питания, первый (14) источник вспомогательного напряжения, второй (15) источник вспомогательного напряжения. 5 ил.
Наверх