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

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 I_T не превышала некоторое граничное значение I_O, а величина квантовой эффективности η была бы не ниже граничного значения η_O. 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

$$L\le l\cdot \frac{D+d_1}{d+d_1}$$ ,

величину квантовой эффективности η_ij каждого ФЧЭ рассчитывают по формуле

$${\eta }_{ij}=\frac{\Delta U_{23ij}}{K_0\cdot K_1\cdot K_{npij}\cdot \left({\epsilon }_1-{\epsilon }_2\right)\cdot N_0\left(T\right)\cdot A_s\cdot q}\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$

а величину темнового тока ФЧЭ I_Tij рассчитывают по формуле

$$I_{Tij}=\left[\Delta U_{21ij}-\frac{{\epsilon }_1}{\left({\epsilon }_1-\epsilon {}_2\right)}\cdot \Delta U_{23ij}\right]\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$

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;

τ_н - заданное время интегрирования, с;

ΔU_21ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τ_н=τ₀ и при τ_н=0, температуре АЧТ Т и коэффициенте черноты АЧТ ε₁, В;

ΔU_23ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τ_н=τ₀ и коэффициентах черноты АЧТ ε₁ и ε₂, В;

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

A_s - 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;

K_npij - 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]:

$$U_{Фij}\left(I_{Tij},{\eta }_{ij},\epsilon ,T,{\tau }_{н}\right)=\frac{{\tau }_{н}}{{С}_{н}}\cdot I_{Tij}+\frac{A_s\cdot N_{фij}\left(\epsilon ,T\right)\cdot q\cdot {\tau }_{н}}{{С}_{н}}\cdot {\eta }_{ij}+U_{constij}$$

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

U_constij - 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 U_const. Следовательно, если провести три измерения сигналов всех ФЧЭ при разных условиях, то для каждого ФЧЭ мы получим систему трех уравнений с тремя неизвестными I_T, η и U_const. Решая такую систему уравнений относительно темнового тока, квантовой эффективности и U_const мы определим указанные параметры.

Первое измерение сигнала проводится при τ_н=0.

Второе измерение сигнала проводится при значении τ_н=τ₀, коэффициенте черноты АЧТ ε₁ и температуре излучения Т.

Третье измерение проводится при значении τ_н=τ₀, 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:

U_0ij(I_Tij, η_ij, ε₁, T, 0)=_Uconstij

$$U_{1ij}\left(I_{Tij},{\eta }_{ij},{\epsilon }_1,T,{\tau }_0\right)=\frac{{\tau }_0}{{С}_{н}}\cdot I_{Tij}+\frac{A_s\cdot N_{фij}\left({\epsilon }_1,T\right)\cdot q\cdot {\tau }_0}{{С}_{н}}\cdot {\eta }_{ij}+U_{constij}$$

$$U_{2ij}\left(I_{Tij},{\eta }_{ij},{\epsilon }_2,T,{\tau }_0\right)=\frac{{\tau }_0}{{С}_{н}}\cdot I_{Tij}+\frac{A_s\cdot N_{фij}\left({\epsilon }_2,T_2\right)\cdot q\cdot {\tau }_0}{{С}_{н}}\cdot {\eta }_{ij}+U_{constij}$$

Здесь N_фij(ε₁, T) и N_фij(ε₂, 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]:

N_фij(ε₁, T)=K₀·K₁·K_npij·ε₁·N₀(T),

N_фij(ε₂, T)=K₀·K₁·K_npij·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]:

$$K_{npij}=\frac{1}{\pi }\cdot {\displaystyle \underset{0}{\overset{2\pi R}{\int }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\left(\phi \right)}{\int }}\frac{\rho \cdot l^2}{{\left[l^2+{\left(\rho \cdot \cos \phi -x_i\right)}^2+{\left(\rho \cdot \sin \phi -y_j\right)}^2\right]}^2}dp\cdot d\phi }}$$

где x_i, y_j - 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:

$$x_i=i\cdot a_x-\frac{a_x}{2}-\frac{a}{2}$$ ;

$$y_j=j\cdot b_y-\frac{b_y}{2}-\frac{b}{2}$$

где a_x и b_y - 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:

$$N_0\left(T\right)={\displaystyle \underset{{\lambda }^1}{\overset{{\lambda }^2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot c}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}}d\lambda$$

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

k_B=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 I_Tij и η_ij получим следующие выражения для их определения:

$${\eta }_{ij}=\frac{\Delta U_{23ij}}{K_0\cdot K_1\cdot K_{npij}\cdot \left({\epsilon }_1-{\epsilon }_2\right)\cdot N_0\left(T\right)\cdot A_s\cdot q}\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$

$$I_{Tij}=\left[\Delta U_{21ij}-\frac{{\epsilon }_1}{\left({\epsilon }_1-{\epsilon }_2\right)}\cdot \Delta U_{23ij}\right]\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$

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

$$\eta =\frac{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с\cdot \eta \left(\lambda \right)}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}$$

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

$$K_0=\frac{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с\cdot K_0\left(\lambda \right)}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}$$

$$K_1=\frac{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с\cdot K_1}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}{{\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot с}{{\lambda }^4\cdot \left[\exp \left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}d\lambda }}$$

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
$$L\le l\cdot \frac{D+d_1}{d+d_1}$$ ,
величину квантовой эффективности η_ij каждого фоточувствительного элемента рассчитывают по формуле
$${\eta }_{ij}=\frac{\Delta U_{23ij}}{K_0\cdot K_1\cdot K_{npij}\cdot \left({\epsilon }_1-{\epsilon }_2\right)\cdot N_0\left(T\right)\cdot A_s\cdot q}\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$
а величину темнового тока фоточувствительного элемента I_Tij рассчитывают по формуле
$$I_{Tij}=\left[\Delta U_{21ij}-\frac{{\epsilon }_1}{\left({\epsilon }_1-\epsilon {}_2\right)}\cdot \Delta U_{23ij}\right]\cdot \frac{C_{н}}{{\tau }_{н}}$$
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;
τ_н - заданное время интегрирования, с;
ΔU_21ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τ_н=τ₀ и при τ_н=0, температуре АЧТ Т и коэффициенте черноты АЧТ ε₁, В;
ΔU_23ij - разность измеренных сигналов ФЧЭ с индексом ij, при τ_н=τ₀ и коэффициентах черноты АЧТ ε₁ и ε₂, В;
С_н - заданная величина накопительной емкости в ячейке ФПУ, Ф;
A_s - 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;
K_npij - рассчитанный коэффициент пропускания холодной диафрагмы для ФЧЭ с индексами ij.