ГЛАВА 2
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ИНЖЕКЦИОННЫХ ФОТОДИОДОВ (ИФД)
2.1. Вольт-амперные характеристики
Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводили в основном в присутствии фонового излучения окружающей среды Т ? 300 К. При необходимости, на образцы подавалась дополнительная подсветка от монохроматора, либо они полностью экранировались от фонового излучения (холодная экранировка).
Измерения ВАХ на постоянном токе проводились точечным методом вольтметра-амперметра (рис. 2.1, а), либо записывались на двухкоординатный самописец ПДС-021М (рис. 2.1, б).
В первом случае последовательно с образцом включалось балластное сопротивление Rб << Rф (Rф - сопротивление исследуемого образца) для ограничения тока в цепи при срыве. Иногда вместо этого сопротивления применялся электронный ограничитель тока (рис. 2.1, б), принцип действия которого ясен из приведенной на рисунке ВАХ транзистора. Напряжение Uвых ? Uвх при I < Iогр и Uвых ? IогрRф при I ? Iогр. Переменное сопротивление задает порог ограничения тока. Напряжение на образец подавалось с блока питания БП, который обеспечивал постоянное и переменное (50 Гц) напряжение V = 0...400 В при токе до 100 mА.
Для измерения образцов с Rф > 500 Ом с записью ВАХ на двухкоординатный самописец напряжение с образца подавалось на катодный повторитель (КП) с высокоомным входом, выход которого подавался ко входу "X" самописца.
а)
б)
в)Рис. 2.1. Измеритель ВАХ на постоянном токе: а - точечный метод; б - запись на самописец; в - электронный ограничитель тока.
Измерение ВАХ на переменном токе (f = 50 Гц). Напряжение с образца Rф и нагрузочного сопротивления Rн подавали соответственно на входы "X" и "Y" осциллографа, либо, если эти напряжения превышали 30 В, непосредственно на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ (рис. 2.2.).
В первом случае использовали осциллограф С8-11, который имеет два дифференциальных входа. Во втором случае - осциллограф С1-19Б и С1-5. при измерении высокоомных образцов между диодом и входом "X" ставился катодный повторитель КП с высокоомным входом.
Импульсное измерение ВАХ. В случае, когда тепловая мощность, выделяющаяся в образце, вызывала нежелательно большое изменение его температуры, ВАХ записывалась на экране осциллографа (С8-11) с запоминающей ЭЛТ (рис. 2.3). На схему подавался одиночный пилообразный импульс длительностью около 15 мсек с крутым задним фронтом. Амплитуда импульса могла изменяться от 0 до 150 В. Использовали генератор импульсов, представляющий собой ждущий мультивибратор с мощным катодным повторителем на входе.
2.2. Измерение фоточувствительности
Схема измерительной установки приведена на рис. 2.4. В качестве источника монохроматического излучения использовали спектрометр ИКС-21 с призмой NaCl и глобаром (Г). Световой пучок от глобара перекрывался механическим модулятором (М), установленным перед входным окном монохроматора, либо внутренним модулятором ИКС-21 (f = 9 Гц). При измерениях примесной фоточувствительности на входное окно ставились фильтры (Ф) для ослабления "собственного света". Образцы (Rф) устанавливались в расходящемся световом пучке за выходным окном
Рис. 2.2. Измерение ВАХ на переменном токе.
Рис. 2.3. Импульсное измерение ВАХ
а)
б)Рис. 2.4. Схема измерения фоточувствительности: а - измерительная установка; б - предварительный усилитель. Г - глобар, М - модулятор, Ф - фильтр, обрезающий коротковолновое излучение, Б - внутренний болометр монохроматора, УБ - усилитель болометра, Rф - измеряемый образец, ФД и Т - контрольные фотодиод и термостолбик, ПУ - предварительный усилитель, КП - катодный повторитель, БП - регулируемый блок питания, Д - диафрагма черного тела.
монохроматора. Напряжение на образцах и ток через них контролировались вольтметром (V) и амперметром (А). При измерении инжекционных фотодиодов, чувствительных в области ? > 2 мкм, в качестве источника излучения использовали модель абсолютно черного тела (ЧТ) с температурой полости Т ? 500 К. Плотность мощности его излучения определялась как
,(2.1)где ? = 5,66•10-12 Дж•с-1•см-2•град-4 - постоянная Стефана-Больцмана, А - площадь фоточувствительной поверхности образца, d - расстояние от диафрагмы ЧТ до образца, s - площадь диафрагмы ЧТ.
Сигнал с образца поступал на вход двухкаскадного предварительного усилителя (ПУ), блок-схема которого представлена на рис. 2.4, б. При большом уровне входного сигнала использовали только один КП. Выход ПУ подключали к селективному вольтметру С5-3 и осциллографу С1-19Б, по которому контролировали форму сигнала и характер шумов. Кроме С5-3 использовали также узкополосный амперметр с фиксированной настройкой f = 12,5 Гц и ?f = 1 Гц.
Токовую чувствительность определяли как отношение фототока в режиме короткого замыкания (Rн<< Rф) к величине мощности падающего излучения, если свет не модулировался:
.(2.2)Здесь IТ+ф - полный ток при засветке, IТ - темновой ток.
Величину Si определяли также как отношение эффективного значения первой гармоники фототока к "эффективному" значению первой гармоники мощности падающего излучения при модуляции:
.(2.3)"Эффективное" значение для первой гармоники мощности потока падающего излучения здесь вводится аналогично соответствующим электрическим величинам
(2.4)Здесь - мгновенное значение мощности засветки. Для прямоугольной модуляции со скважностью, равной 2, Рэфф = 0,45Р, где Р - мощность немодулированного потока.
Аналогично вольтовая чувствительность
(2.5)для немодулированного света и
(2.6)для модулированного света. Здесь Uф - фотонапряжение в режиме холостого хода (Rн>>Rф). Величина Su обычно рассчитывалась нами по известным Si и :
(2.7) Плотность потока падающего излучения измеряли термостолбиком (Т), предварительно прокалиброванным по излучению ЧТ 500 К и помещенным на место образца. Мощность света в диапазоне ? = 0,9...1,5 мкм измеряли также обычным германиевым фотодиодом (ФД) с известной чувствительностью, включенным в запорном н