Створення кремнієвого чотириелементного безкорпусного фотодіода

3. Дослідження параметрів та характеристик розробленого ФД

3.1 Загальні положення

Контроль параметрів та характеристик ФД здійснювався в нормальних кліматичних умовах випробувань (НКУ), якщо інші умови не зазначені при викладенні конкретних методів контролю.

Нормальні кліматичні умови випробування характеризуються такими значеннями кліматичних факторів:

температура повітря від 15 до 35 С;

відносна вологість повітря від 45 до 80 % (при температурі повітря більше 30 С відносна вологість повинна бути не більше 70 %);

атмосферний тиск від 84 до 106 кПа (від 630 до 800 мм рт.ст.).

Якщо до початку вимірювань ФД знаходився в кліматичних умовах, відмінних від нормальних, то перед проведенням вимірювань він витримувався в нормальних кліматичних умовах не менше 1 год.

Умови вимірювання фотоелектричних параметрів та характеристик і вимоги до апаратури - відповідно до ГОСТ 17772 з доповненнями та уточненнями, викладеними у цьому розділі. Вимірювання фотоелектричних параметрів ФД в кліматичних умовах, відмінних від нормальних, здійснювались по відповідних методиках після витримки його в цих умовах не менше 1 год при сталій температурі.

Для подачі на ФД робочої чи іншої напруги і підключення ФД до вимірювального тракту при вимірюваннях електричних і фотоелектричних параметрів використовувався контактний (зондовий) пристрій, на якому розміщувався досліджуваний кристал (ФД) (рис. 3.1.1). Координатний пристрій дозволяв переміщувати кристал з великою точністю. Вимірювання параметрів та характеристик ФД здійснювалось на окремих кристалах, та на кристалах, що розміщались на вихідній пластині діаметром 60 мм, на якій були зформовані кристали. При цьому пластина була прорізана фрезою товщиною 50 мкм на глибину 300 мкм по межам між окремими кристалами.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

1 - ФД (кристал на пластині), що випробовується, з металізованими контактними площадками; 2 - зонд (голка); 3 - металізована (контактнна) пластина; 4 - ізоляційна пластина; 5 - координатний столик.

Рисунок 3.1.1 - Зондовий пристрій з досліджуваним ФД (кристалом)

Вимірювальні прилади, що застосовувались бути повірені у встановленому порядку.

3.2 Вимірювання темнового струму та дослідження вольт-амперниххарактеристик ФД

Контроль темнового струму ФЧЕ I_т здійснювався за ГОСТ 17772 методом вимірювання напруги на виході перетворювача "струм-напруга" при робочій напрузі рівній 10 В на ФД.

Вимірювання темнового струму здійснювалось на установці, блок-схема якої наведена на рисунку 3.2.1, при температурі (20±2) ^оС. При вимірюванні темнового струму забезпечувалась відсутність будь-якого освітлення ФЧЕ ФД, для чого використовувався світлонепроникний екран.

Вольтметром 5 вимірювалась величина напруги на виході перетворювача "струм-напруга".

Размещено на http://www.allbest.ru

1

1 - кристал на зондовому пристрої під світлонепроникним екраном; 2, 3 - блоки живлення Б5-43, Б5-44; 4 - перетворювач "струм-напруга" АДБ7.0243.00.00; 5 - вольтметр В7-21; 6 - камера тепла і холоду АДБ7.0002.00.00.

Рисунок 3.2.1 - Блок-схема вимірювання темнового струму та зняття вольт-амперної характеристики ФД

Величину темнового струму ФЧЕ ФД I_т, А, розраховувалась за формулою

I_т = k · U , (3.2.1)

де U - спад напруга, виміряна вольметром 5, В;

k - коефіцієнт перетворення, А/В.

Похибка вимірювання темнового струму не перевищувала 2,5 %.

Типові значення темнового струму при робочій напрузі та температурі (20±2) ^оС були приблизно рівні 10 нА, а при температурі (60±2) ^оС - менше 200 нА.

Вольт-амперні характеристики (залежності темнового струму від напруги) знімались на установці згідно рис. 3.2.1 при температурах (20±2) ^оС та (60±2) ^оС. В діапазоні напруг 0,01 - 0,1 В використовувався блок живлення Б5-43, а в діапазоні більше 0,1 В - блок живлення Б5-44.

Типові вольт-амперні характеристики ФД, побудовані в подвійній логарифмічній шкалі, при вищевказаних температурах та діапазони їхніх допустимих розкидів зображені на рис. 3.2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Рисунок 3.2.2 - Типові вольт-амперні характеристики ФД

3.3 Вимірювання струмової монохроматичної чутливості та дослідження відносної спектральної характеристики чутливості ФД

Контроль струмової монохроматичної чутливості ФД S_I? на довжині хвилі оптичного випромінювання 0,9±0,025 мкм здійснювався на установці, блок-схема якої наведена на рисунку 3.3.1, методом порівняння струмової монохроматичної чутливості ФД, що випробовується, зі струмовою монохроматичною чутливістю еталонного ФД. В якості еталонного ФД використовувався атестований ФД типу ФД 288.

Вимірювання здійснювалось з використанням зондового пристрою та координатного столика. Опір навантаження ФД - 50 Ом ± 1 %. Частота модульованого потоку випромінювання f_мод = (1 ± 0,2) кГц. Потужність випромінювання - 10^-4 - 10^-6 Вт.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

1 - блок живлення випромінювача Б5-45; 2 - блок живлення ФД Б5-44; 3 - блок живлення широкополосного підсилювача АДБ 161.30.00; 4 - генератор імпульсів Г5_72; 5 - випромінювач АДБ 161.10.00-01; 6 - ФД, що випробовується з зондовим пристроєм; 7 - координатний столик; 8 - широкополосний підсилювач АДБ 161.40.00; 9 - осцилограф С1_64.

Рисунок 3.3.1 - Блок-схема установки для контролю струмової монохроматичної чутливості S_I?

Випромінювач разом з оптичною системою забезпечували освітлення тільки ФЧЕ ФД. Наведення світлового зонда випромінювача на ФЧЕ ФД, що випробовується, здійснювалось за допомогою координатного столика. Осцилографом вимірювалась напруга фотосигналу на виході еталонного ФД (U_ет), а потім, не змінюючи режиму живлення випромінювача, вимірювалась напругу на виході ФД, що випробовувався, (U).

Величина струмової монохроматичної чутливості ФЧЕ S_I, А/Вт, розраховувалась за формулою

(3.3.1)

де S_Iет - струмова монохроматична чутливість еталонного ФД, А/Вт;

U - напруга фотосигналу ФЧЕ випробовуваного ФД, мВ;

U_ет - напруга фотосигналу еталонного ФД, мВ.

Типові значення сирумової монохроматичної чутливості складали 0,18 - 0,20 А/Вт.

Похибка вимірювання струмової монохроматичної чутливості не перевищувала ± 15 %.

Відносна спектральна характеристика чутливості ФД визначалась згідно ГОСТ 17772 в спектральному діапазоні від 0,4 до 1,0 мкм через 20 нм.

Вимірювання здійснювалось на установці, блок-схема якої приведена на рис. 3.3.2.

1 - блок живлення Б5-21; 2 - джерело випромінювання КГМ 24-150; 3 -оптична система з комплекту монохроматора МДР-23; 4 - монохроматор МДР-23; 5 - електромеханічний модулятор; 6 - фокусуюча оптична система; 7 - досліджуваний ФД (контрольний ФД-288) з контактним пристроєм (опір навантаження R_н = 1 кОм) на координатному столику; 8 - селективний вольтметр У2-8.

Рисунок 3.3.2 - Блок-схема зняття відносної спектральної характеристики чутливості

Фокусуючою оптичною системою формувався світловий зонд діаметром ~ 0,5 мм. Селективний вольтметр налагоджувався на робочу частоту модулятора 1000 Гц. Вимірювання здійснювались на змінному потоці. Спочатку вимірювалась величина фотонапруги на опорі навантаження в діапазоні 0,4 - 1,0 мкм для контрольного ФД-288, а потім для досліджуваного ФД.

Значення відносної спектральної чутливості досліджуваного ФД S_відн.(?) у відносних одиницях на довжині хвилі ? визначається за формулою

S_{відн. (?)} = S_?// S_{? макс} , (3.3.2)

де S_? - монохроматична чутливість досліджуваного ФД на довжині хвилі ?, А/Вт;

S_{? макс} - монохроматична чутливість досліджуваного ФД в максимумі спектральної чутливості, А/Вт.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Рисунок 3.3.3 - Типова відносна спектральна характеристика чутливості ФД

Типова форма відносної спектральної характеристики чутливості досліджуваного ФД приведена на рис. 3.3.3.

Похибка визначення відносної спектральна характеристика чутливості ФД складала ±17 %.

3.4 Вимірювання часу наростання та спаду фотоструму ФД по рівню 0,1 - 0,9

Вимірювання часу наростання та спаду фотоструму ФД по рівню 0,1 - 0,9 (?0,1-0,9) S_I? на довжині хвилі оптичного випромінювання 0,9 ± 0,025 мкм здійснювався на установці, блок-схема якої наведена на рисунку 3.3.1, методом порівняння часу наростання (спаду) ФД, що випробовується, з часом наростання еталонного ФД. В якості еталонного ФД використовувався атестований ФД типу ФД-255, що мав час наростання на опорі навантаження 500 Ом 10 нс. Основною проблемою було те, що випромінювач мав фронт наростання імпульсу 14 нс. Швидшого випромінювача, на жаль, немає. Крім того, добавку до вимірюваного значення часу наростання (спаду) ФД, давали з'єднувальні дроти.

Спочатку вимірювався за показами осцилографа суммарний час наростання вихідного сигналу (?_сум) попередньо атестованого на опорі навантаження 500 Ом контрольного ФД-255, що мав власний час наростання ?_{0,1-0,9 контр.} = 10 нс. Сумарний час наростання контрольного ФД описується виразом

, (3.4.1)

де ?_{тр. еф.} - эффективний час вимірювального тракту.

З формули (3.4.1) вираховується эффективний час вимірювального тракту (?_тр.еф.), тобто вплив на вимірювання випромінювача та з'єднувальних дротів

Не змінюючи випромінюваного потоку, опромінювався досліджуваний ФД. По екрану осциллографа визначався сумарний час наростання (спаду) досліджуваного ФД (?_{сум.досл.}).

Суммарний час наростання (спаду) досліджуваного ФД описується виразом

, (3.4.2)

З формули (3.4.2), з урахуванням вирахуваного значення ?_тр.еф., визначався час наростання (спаду) досліджуваного ФД (?_0,1-0,9).

Отримані значення час наростання (спаду) досліджуваного ФД виявились близькими до теоретично розрахованих значень. Причому, час спаду був дещо більшим часу наростання.

Похибка визначення часу наростання (спаду) досліджуваного ФД складала ±15 %.

3.5 Вимірювання ємності ФД

Вимірювання ємності ФД здійснювалось на установці, структурна схема якої приведена на рисунку 3.5.1.

Вимірювання здійснювалось таким чином: спочатку вимірювалась ємність вимірювального тракту в пікофарадах, а потім ємність вимірювального тракту зі втановленим у контактуючий пристрій ФД, що досліджувався.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

1 - світлонепроникний екран; 2 - ФД, що досліджується з контактуючим пристроєм; 3 - вимірювач L, C, R E7-12; 4 - блок живлення Б5-43 (Б5-44); 7 - вольтметр постійного струму В7-21

Рисунок 3.5.1 - структурна схема установки для вимірювання ємності

Ємність ФД, С, пФ, визначалась за формулою

(3.5.1)

де С_заг - ємність вимірювального тракту зі встановленим ФД, пФ;

С_уст - ємність вимірювального тракту ємність, пФ.

Значення ємності при 0 В складала приблизно 4,4 пФ, при 10 В - приблизно 20 пФ. Але при цьому похибка вимірювання зростала.

Похибка вимірювання ємності ФД при 0 В складала 15 %.

Висновки

В результаті проведених досліджень можливості реалізації вимог технічного завдання було встановлено, що оптимальним для розробки та виготовлення безкорпусного чотириелементного швидкодіючого фотодіода є використання кремнієвих монокристалічних епітаксійних пластин типу ВКС згідно ТУ 48-0533-005. Розрахунки показали можливість реалізації вимог як по струмовій монохроматичній чутливості, так і по швидкодії ФД. Невисоке значення чуливості (0,15 А/Вт) дозволило використати пластину з товщиною високоомного шару 20 мкм. Питомий опір високоомного шару - 600 Ом·см. Генерація носіїв заряду в високоомному шарі дозволила швидко (методом дрейфу) доставляти їх до p⁺-n-переходу, що й забезпечило швидкодію ФД. Якби стояло завдання отримання вищої чутливості - слід було б використати пластини з товстішим епітаксійним шаром.

Виготовлені ФД були досліджені на предмет виконання технічного завдання. Вимірювання параметрів та характеристик розробленого фотодіода підтвердили повне виконання тпоставленого технічного завдання.

Загальний висновок - оптимальним для виготовлення чотириелементних швидкодіючих фотодіодів є використання епітаксійних кремнієвих пластин з тонким високоомним шаром.

Література

1. И.Д. Анисимова, И.М. Викулин Полупроводниковые фотоприемники. Москва: Радио и связь, 1984. Стор. 2, стор. 47 - 65, стор. 94 -95, стор. 61, стор. 14.

2. В.Г. Дулин Электронные приборы. Москва: Энергия, 1977. Стор. 371.

3. М.А. Тришенков, А.И.Фример Полупроводниковые приборы и их применение, Москва: Советское радио, 1971. вып. 25. Стор. 161 - 162.

4. Р. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. Москва: Мир, 1989. Стор. 45, стор. 288, стор. 296, стор. 486-487.

5. Т.Н.Крылова. Интерференционные покрытия. Ленинград: Машиностроение, 1973. Стор. 27.

6. Уиллардсон Р. Оптические свойства полупроводников. Моска: Мир, 1970. Стор. 488, стор. 321.

7. Гауэр Д. Оптические системы связи. Москва: Радио и связь, 1989. Стор. 313.

8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Москва: Мир, 1984. Стор. 341.

9. П.Г. Орешкин. Физика полупроводников и диэлектриков. Москва: Высшая школа. Стор. 198, стор. 200, стор. 89, стор. 198.

10. А. ван дер Зил. Шумы при измерениях. Москва: Мир. Стор. 164.

Додаток

При виконанні усіх видів робіт потрібно дотримуватись вимог, що викладені в Правилах технічної експлуатації та безпеки обслуговування електроустаткування.

При виконанні даної дипломної роботи використовувались джерела високої нпруги. Тому при роботі в лабораторії слід приділяти постійну увагу питанням електробезпеки і технічної гігієни при обслуговуванні електричних приладів. В лабораторії потрібно суворо дотримуватись наступних правил безпеки:

до роботи допускаються особи, які уважно ознайомились з технічною документацією на прилади, що використовуються, та пройшли інструктаж з техніки безпеки;

в приміщенні під час роботи повинні знаходитись не менше двох осіб;

перед початком роботи необхідно перевірити заземлення приладів;

переконатись в справності всіх з'єднувальних дротів та правильності їх з'єднання;

вмикання джерел високої напруги здійснювати суворо у відповідності з інструкцією по експлуатації;

не залишати без нагляду ввімкнені прилади;

після закінчення робіт перевірити чи вимкнені прилади.

При ураженні електричним струмом спасіння постаждалого в більшості випадків залежить від швидкості звільнення його від дії струму, а також від швидкості та правильності надання першої допомоги.

Для відділення постраждалого від струмопровідних елементів потрібно скористатись сухим одягом, канатом, палицею або іншими сухими предметами, що не проводять електричний струм. В усіх випадках виклик лікаря є обов'язковим незалежно від стану постраждалого.

Размещено на Allbest.ru