1.3 Огляд фотодіодів для вимірювання ультрафіолетового випромінювання

Як показав проведений аналіз приладів та систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання, існує багато різних систем із різною вартістю та різною точністю (точність пропорційна ціні). Переважно у вимірювальних каналах приладів домінує похибка сенсора, тому актуальною є потреба її детального аналізу. Не доцільним являється покращення інших блоків приладів та систем, поки домінує похибка сенсора.

Як було показано у публікації [40] існує декілька видів фотоелектричних сенсорів, серед яких: термо-сенсори, фотографічні сенсори, фотоемісійні сенсори, надпровідні сенсори, напівпровідникові сенсори. Всі вони відрізняються різними фізичними принципами, що лежать в основі їх роботи, характеристиками, межами застосувань, ціною. Серед розглянутих сенсорів, зважаючи на кількість переваг (зокрема: широкий робочий спектр, нечутливість до видимого випромінювання, добру лінійність, високу квантова ефективність, широкий динамічний діапазон, можливість виготовлення великих зображаючих матриць, малу ємність, малу чутливість до темнових струмів,) та відносно невелику ціну, напівпровідникові сенсори являються найкращими для використання при розробці радіометрів, портативних дозиметрів, для медичних установок, для виробничих вимірювань, у системах екологічного моніторингу тощо, як прості, дешеві і ефективні пристрої.

Проведемо огляд доступних на ринку напівпровідникових фотодіодів різних типів доступних на ринку лавинних фотодіодів (ЛФД, Si, InP, InAlAs та інших.), а також розглянемо параметри, які впливають на точність УФ фотодіодів.

Лавинне множення забезпечує внутрішнє підсилення, яке може збільшити чутливість попереднього підсилювача модуля лавинного фотодіода (ЛФД). Так як носії зарядів перетинають область лавинного високого поля, в наслідок того що вони отримують енергію від електричного поля, але й втрачають частину цієї енергії через розсіювання фононів [21]. При потужних полях, якщо отримана корисна енергія перевищує значення ударної іонізації порогової енергії, активний носій заряду може викликати ланцюг ударної іонізації, який в свою чергу викличе лавину нових носіїв зарядів. Проте швидкість розсіювання фононів, яка сильно залежать від температури, визначає кількість гарячих носіїв і, отже, може мати сильний вплив на приріст лавини і на напругу пробою. Це було одним з обмежень ЛФД через необхідність використання додаткової керуючої електроніки, необхідної для підтримки продуктивності ЛФД. Наприклад, ЛФД у модулях приймачів волоконно-оптичних комунікацій вимагає регулювання напруги їх зворотного зміщення для підтримки підсилення лавини. При повітряному дистанційному зондуванні системи диференційного поглинання світлової відстані та ранжування (LIDAR- Light Distance and Ranging), використовують для вимірювання кількості парів води в атмосфері. ЛФД встановлений на термоелектричному модулі, який підтримує температуру стабільною [22]. Інший важливий приклад, в якому стабільність підсилення має важливе значення, є системою лічення фотонів що використовує однофотоний лавинний фотодіод (ОФЛФД) (SPAD - single photon avalanche photodiode). ОФЛФД, зазвичай, зміщений по напрузі вище значення його пробивної напруги. Невелика зміна температури може призвести до зміни напруги пробою, що призведе до великої зміни ймовірності пробою.

Серед виробників ультрафіолетових фотодіодів можна виділити Hamamatsu [23], Sglux GmbH [24], LaserComponents[25], Ams AG [26]. Розглянемо основні фотодіоди та їхні характеристики, що пропонуються даними виробниками.

Фірмою Hamamatsu, пропонуються фотодіоди 2-х основних груп: фотодіоди на основі Si та ЛФД. Серед фотодіодів на основі Si пропонується більше 140 окремих фотодіодів та більше 20 фотодіодних матриць, які в свою чергу поділяються на Si фотодіодні матриці та сегментовані фотодіоди типу Si.

Прикладом є термоелектрично охолоджувальний УФ фотодіод S2592/S3477 із вбудованим терморезистором [28] (див. рисунок 1.8) та його електричні та оптичні характеристики наведено в додатку А, в таблиці А.1.

а) б)

Рисунок. 1.8 – Зовнішній вигляд термоелектрично охолоджувального УФ із вбудованим терморезистором S2592/S3477 (а) та графік залежності опору зсуву від температури (б) фірми Hamamatsu [28].

Рисунок. 1.9 – Графік залежності опору терморезистора від температури фотодіода S2592/S3477 фірми Hamamatsu [28].

Для стабілізації температурних параметрів роботи фотодіода виробники рекомендують використовувати температурний контролер для термоелектрично охолоджувального фотодіоду S2592/S3477 – С1103-04, який працює за схемою рисунка 1.10 [28].

Рисунок. 1.10 – Схема стабілізації температурних параметрів роботи фотодіода S2592/S3477.

Типовим представником Si ЛФД є фотодіоди серії S12023 [33] (рисунок 1.11), параметри якого представлені у додатку А, в таблиці А.2.

(а) (б)

Рисунок. 1.11 – Зовнішній вигляд ЛФД фотодіодів серії S12023 (а), графік залежності коефіцієнту підсилення від реверсивної (оберненої) напруги (б) фірми Hamamatsu [29].

Фірмою SgLux пропонується фотодіодів із різними параметрами та характеристиками [24]. Розглянемо основні з них.

Фотодіод на основі SiC (силікат вуглецю) - SG01M-18, (Ціна 49€) зовнішній вигляд якого показано на рисунку 1.12 [36]. Його характеристики наведено у додатку А, у таблиці А.3.

(а) (б)

Рисунок. 1.12 – Зовнішній вигляд фотодіоду SG01M-18 (а), графік залежності спектральної чутливості від довжини хвили (б) фірми SgLux [36].

Фірмою LaserComponents пропонуються фотодіоди із різними параметрами та характеристиками [25]. Розглянемо основні з них.

ЛФД на основі Si - SAE230VS та SAE500VS, зовнішній вигляд якого показано на рисунку 1.13 [38]. Його характеристики наведено у додатку А, у таблиці А.4.

(а) (б)

Рисунок. 1.13 – Зовнішній вигляд ЛФД на основі Si - SAE230VS (а), графік залежності коефіцієнту підсилення від реверсивної (оберненої) напруги при різних значеннях температури (б) фірми LaserComponents [38]

У корпусі T6 даного фотодіоду також міститься термоелектричний охолоджувач та терморезистор, що необхідні для підтримки стабільної температури всередині корпусу фотодіода.

Наступний сенсор, що пропонується фірмою Dexterresearch - ST120 DUAL (рисунок 1.15), має додатковий термістор у корпусі сенсора [41].

Рисунок. 1.15 – Зовнішній вигляд сенсора ST120 DUAL фірми Dexterresearch.

На рисунку 1.15 видно місце кріплення термістора – сенсора температури для відповідної корекції результатів вимірювання. Однак зрозуміло, що вимірюване випромінювання нагріває власне кристали фотодіода, тому коригуюча поправка повинна обчислюватися згідно температури кристала. А температура термістора, розміщеного на корпусі на відстані декількох міліметрів від кристалів, цілком не обов’язково рівна температурі кристалів. Тим більше, що кристали мають малу товщину і масу, тому вимірюване випромінювання прогріває їх швидко і зміна температури кристалів буде доволі велика.

Тому, при побудові прецизійних систем вимірювання світлових величин фотодіоди необхідно вважати багатопараметричними сенсорами – точніше, двопараметричними, вихідний сигнал яких (струм короткого замикання) є функцією двох фізичних величин – освітленості та температури. Однак експлуатація багатопараметричних сенсорів, зокрема, оброблення їх вихідних сигналів, значно складніша, ніж традиційних однопараметричних. Тому розглянемо це питання детальніше.