© 2001р. І.В. Докторович, В.К. Бутенко, В.М. Годованюк, В.Г.Юр'єв

УДК 535.241.6: 621.383.52.8

© 2001р. І.В. Докторович, В.К. Бутенко, В.М. Годованюк, В.Г.Юр'єв

ВАТ ''ЦКБ Ритм'', Чернівці

МЕТОДИКА ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНОГО ДІАПАЗОНУ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ФОТОПРИЙМАЧІВ

Одна з важливих характеристик фотоприймачів, які застосовуються як первинні вимірювальні перетворювачі – їх енергетична характеристика або динамічний діапазон. Розглянута методика вимірювання динамічного діапазону напівпровідникових фотоприймачів.

The energy characteristic or dynamic range is the important characteristic of photorecievers which are applied as primary measuring transformers. The technique of measurement of a dynamic range of semiconductor photorecievers is considered.

Діапазон значень вимірюваної величини, в межах якої може працювати даний фотоприймач, називають його динамічним діапазоном. У межах даного діапазону можна говорити про нелінійність енергетичної характеристики приймача випромінювання, тобто про пропорційну залежність між величиною падаючого на приймач світлового потоку та рівнем реакції – фотовідповіддю.

Структурна схема установки для вимірювання динамічного діапазону фотоприймачів зображена на рис.1.

Рис. 1. Структурна схема установки для вимірювання динамічного діапазону фотоприймачів: 1 – блок живлення освітлювача (Б5-21), 2 – ампервольтметр (М2015), 3 – освітлювач, 4 – фотоприймач, 5 – перетворювач струм-напруга (ППТН-1), 6 – вольтметр універсальний (В7-23)

Для вимірювання нелінійності фотоприймача (ФП) використовується метод додаткового світла ().

Оптична схема являє собою два канали, в кожному з яких розміщені: джерело випромінювання – лампа розжарювання; оптична система – світлосильний фотооб¢єктив; ослаблювач оптичного потоку – касета або турель зі світлофільтрами та непрозорий екран. Світлові потоки різняться між собою (при однакових світлофільтрах в кожному каналі) не більше як на 10%, а їх рівень задається від порогового потоку ФП (Фп) до Фmax=1×108×Фп(E max=5×105лк).

Конструкція освітлювача забезпечує кріплення вимірюваного ФП на вихідному вікні освітлювача так, що його фоточутливий елемент знаходиться в площині формування світлових зондів та виключає вплив розсіяного світла і сторонніх джерел випромінювання.

Вимірювання проводяться так: після виходу установки на робочий режим встановлюється нуль на виході ППТН-1. За допомогою світлофільтрів та режиму живлення джерел випромінювання установлюється рівень потоків (в кожному каналі окремо), який створює на виході ФП фотострум І ф, що перевищує темновий Іm у 5-10 разів (для ФП, що працюють в фотогальванічному режимі, значення Іm береться з паспорту на даний ФП).

Почергово засвічується ФП потоками випромінювання кожного каналу та одночасно вимірюються відповідно фотосигнали І 1', І 1"та І 1. Оскільки фотоприймач повинен бути лінійним перетворювачем, то сума значень сигналів І 1'+ І 1"має дорівнювати значенню І 1. Відхилення в цій рівності – це нелінійність енергетичної характеристики d E на даній ділянці зміни світлових потоків, яка визначається за формулою:

(1)

Якщо нелінійність енергетичної характеристики не перевищує значення нелінійності, заданої в нормативній документації на ФП (ТУ, ТЗ і т.д.), установлюються потоки в кожному каналі рівними за величиною сумарному потокові.

Оскільки величина фотоструму пропорційна потоку випромінювання, досить встановити фотострум І 2' (І 2")= І 1.

Рис. 2. Спектральні характеристики фотодіодів на основі кремнію, германію та фосфіду галію

Для зменшення похибки вимірювання чутливість ППТН-1 вибирається такою, при якій вимірювані величини фотосигналу мали б не менше чотирьох значущих цифр.

Подальші вимірювання та розрахунки нелінійності енергетичної характеристики проводяться аналогічно вищенаведеним, зі встановленням потоків у кожному з каналів приблизно рівними величині потоку, що створюється обома каналами при попередньому вимірюванні.

Якщо величина нелінійності енергетичної характеристики при одному з вимірювань виходить за межі допустимого значення, заданого в нормативній документації на ФП, зміною режиму живлення освітлювача встановлюються світлові потоки такі, при яких ця величина досягне заданого значення. Це критичний рівень потоку Фкрит, тобто потоку, при якому відхилення величини фотосигналу від лінійності досягає заданого значення при установленому критичному потоці Фкрит.

Вимірюється величина фотоструму І maxі визначається динамічний діапазон ФП за формулою:

. (2),

Величина відносної похибки вимірювання динамічного діапазону визначається нестабільністю потоку випромінювання та похибкою перетворення ППТН-1. Оскільки фактичні значення цих складових не перевищують 0,6% [4], то загальна відносна похибка вимірювання не виходить за межі ±1 %.

Для проведення вимірювання динамічного діапазону згідно з вищенаведеною методикою, було довільно вибрано по 5 шт. фотоприймачів з однаковими площами фоточутливих елементів (1 см2), але різними спектральними характеристиками (спектральні характеристики чутливості зображені на рис. 2) – фотодіоди на основі кремнію, германію та фосфіду галію. Результати вимірювання наведені в табл. 1 та 2.

Таблиця 1. Результати вимірювання нелінійності енергетичної характеристики

Мате-ріал ФП	№ ФП	Нелінійність енергетичної хар-ки, (%)
10Фп	102Фп	103Фп	104Фп	105Фп	106Фп	107Фп	108Фп
Si		0.1 0.2 0.3 0.4 0.2	0.3 0.1 0.2 0.2 0.1	0.2 0.2 0.3 0.2 0.3	0.2 0.1 0.2 0.4 0.2	0.1 0.3 0.2 0.3 0.4	0.3 0.2 0.5 0.2 0.9	0.6 0.8 2.1 0.3	1.0 4.8 0.5 ─
Ge		0.3 0.2 0.1 0.4 0.5	0.3 0.4 0.3 0.3 0.3	3.0 0.3 0.2 1.8 0.4	2.1 1.3 6.2	─ ─	─ ─ ─ ─ ─	─ ─ ─ ─ ─	─ ─ ─ ─ ─
GaP		0.3 0.1 0.2 0.2 0.1	0.2 0.2 0.2 0.1 0.1	0.2 0.3 0.4 0.3 0.2	0.3 0.2 0.3 0.2 0.4	0.5 0.4 0.4 0.4 0.2	0.4 0.9 0.5 1.2 1.0	1.6 8.7 0.5 16.5 4.2	11.2 ─ 1.8 ─ ─

Таблиця 2. Результати вимірювання динамічного діапазону

№ ФП	Динамічний діапазон, рази
Si	Ge	GaP
	2,1×108 1,2×107 4,1×106 1,0×108 3,1×106	1,1×102 1,5×103 1,2×103 2,1×102 3,2×103	1,0×106 2,3×106 1,2×107 1,1×105 1,0×106

За результатами вимірювань можна зробити висновок: дана методика дозволяє досить точно визначити енергетичну характеристику (динамічний діапазон) ФП та розбракувати за цими параметрами фотоприймачі, чутливі в спектральному діапазоні випромінювання ламп розжарювання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. ГОСТ 17772-88. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. М.: Издательтво стандартов, 1988.

2. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). - Ленинград: Энергоатомиздат, 1983.

3. Гуревич М. М. Введение в фотометрию. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1968.

4. Бутенко Е. К., Годованюк В. М., Докторович І. В. Прецизійний перетворювач струм-напруга // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 102: Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2001. - С.84-85.

5. ТУ 16.535.483-82. Лампы накаливания электрические кварцевые галогенные малогабаритные. Саранск.

6. ГОСТ 9411-78. Стекло цветное оптическое. М.: Издательтво стандартов, 1978.

7. Импульсная фотометрия: Сборник статей. Вып.5. - Л.: Машиностроение, 1978.

8. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов / Под ред. Р.Дж.Киеса. - М.: Радио и связь, 1985.

Дата добавления: 2015-09-29