Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 99 УДК 535.215 АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ ПРИМЕСЯМИ Гусев О.К., Свистун А.И., Шадурская Л.И., Яржембицкая Н.В. Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь Исследованы метрологические особенности фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей (ФЭПП) на основе полупроводников с многозарядными примесями в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения, обусловленные про- цессами нелинейной рекомбинации. Предложен алгоритм процедуры определения метро- логических характеристик таких ФЭПП не только при малых плотностях мощности оптического излучения, но и при высоких, учитывающий границы области нелинейной рекомбинации. Проведена оценка погрешности определения метрологических характе- ристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями с учетом пере- хода в область нелинейной рекомбинации. (E-mail: minskhome@tut.by) Ключевые слова: фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи, метрологические характеристики, многозарядные примеси. Введение Фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭПП) на основе полупро- водников с многозарядными примесями ис- пользуются для создания матричных приборов и систем обнаружения в диапазонах длин волн 1,5–5 мкм и 8–12 мкм, для волоконно-оп- тических линий передачи информации [1, 2]. Повышение плотности мощности оптического излучения, а также расширение спектрального диапазона источников оптического излучения актуально с точки зрения совершенствования волоконно-оптических линий передачи инфор- мации, создания фотоэлектрических полупро- водниковых преобразователей 2-го поколения на основе германия и кремния с многозаряд- ными примесями (медь, золото, никель, галлий) в качестве элементной базы, обеспечивающей соответствие метрологических характеристик современным требованиям и одновременно не- высокую стоимость, серийноспособность, вы- сокую надежность и долговечность фотопри- емных устройств инфракрасного диапазона [3]. Особенностью ФЭПП на основе полупро- водников с многозарядными примесями явля- ется то, что метрологические характеристики таких приборов определяются рекомбинацион- ными процессами с участием глубоких много- зарядных примесей и, следовательно, таким параметром полупроводников, как время жизни неравновесных носителей заряда . Исследование ФЭПП на основе полупро- водников с многозарядными примесями пока- зало, что существуют 2 диапазона линейности энергетических характеристик таких прибо- ров – при малых плотностях мощности оптиче- ского излучения и высоких [4, 5, 6]. Причем границы области нелинейной рекомбинации существенно зависят от концентрации многоза- рядной примеси и ее параметров. Известно, что даже в одной партии ФЭПП на основе полу- проводников с многозарядными примесями в силу технологических особенностей легирова- ния полупроводникового материала согласно нормативным документам допускается опреде- ленный разброс концентрации многозарядной примеси ( 20 %). Следовательно, с точки зре- ния метрологии при реализации базовой изме- рительной процедуры ГОСТа 17772-88 [7] при одной и той же плотности мощности оптичес- кого излучения для ФЭПП, незначительно от- личающихся концентрацией многозарядной примеси за счет перехода в область нелинейной рекомбинации, может изменяться связь между метрологическими характеристиками ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями и измерительными воздействиями, при этом изменяется функция преобразования базовых измерительных сигналов, т. е. должна Методы измерений, контроля, диагностики 100 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 быть изменена модель такого ФЭПП, учитыва- ющая переход в область нелинейной рекомби- нации. Использование для определения метро- логических характеристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примеся- ми базовых моделей, учитывающих линейную рекомбинацию только при малых плотностях мощности оптического излучения и потому не являющихся адекватными состоянию таких ФЭПП, приводит к методическим погрешно- стям, превосходящим допускаемые значения и в ряде случаев проявляющихся как грубые по- грешности (или метрологические ошибки). Цель данной работы – анализ возможности проведения исследований метрологических ха- рактеристик ФЭПП в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения, разработка адекватных моделей и алгоритмов процедуры определения метрологических ха- рактеристик, включая оценку погрешностей измерений в различных диапазонах. Особенности метрологических характери- стик широкодиапазонных ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными приме- сями Физическим эффектом, который проявля- ется при определении метрологических харак- теристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями и доминирует при обеспечении безошибочности результатов из- мерения, является нелинейная рекомбинация, определяемая концентрацией и параметрами примеси, а также плотностью мощности опти- ческого излучения Р. В работе рассмотрен метод испытаний ФЭПП на основе полупроводников с многоза- рядными примесями в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения с учетом границ области нелинейной рекомбина- ции. При разработке методов испытаний таких ФЭПП использовались результаты моделиро- вания метрологических характеристик данных приборов в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения. На рисунке 1 приведены зависимости вре- мени жизни электронов n и дырок р, а также фототока iф ФЭПП на основе германия n-типа, легированного золотом, в зависимости от плот- ности мощности оптического излучения. Из зависимостей, приведенных на рисунке 1, сле- дует, что линейная рекомбинация неравновес- ных носителей заряда (то есть постоянство n и р ) имеет место при низких плотностях мощ- ности оптического излучения Р < Рн и высоких Р > Рв, что соответствует двум диапазонам ли- нейности фототока iф при малых Р < Рн и высо- ких плотностях мощности оптического излуче- ния Р > Рв ФЭПП на основе германия n-типа, легированного золотом. 10010-210-6 10-410-5 10-3 10-1 10-9 10-5 10-3 10-7 10-11 101 102 P, мкВт/см2 Pн Pвp , n , c n p I II а 10010-210-6 10-410-5 10-3 10-1 10-6 10-4 10-3 10-5 10-7 101 102 P, мкВт/см2 Pн Pв 10-2 I II iф , A/см2 б Рисунок 1 − Экспериментальные и расчетные зависимости времени жизни основных ( n) и неосновных ( р) носителей заряда (а) и фотото- ка iф (б) от плотности мощности оптического излучения Р в ФЭПП на основе германия n- типа, легированного золотом; Рн и Рв – нижняя и верхняя границы диапазона линейности энер- гетических характеристик ФЭПП на основе по- лупроводников с многозарядными примесями Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 101 Новая измерительная процедура Область грубой погрешности или метрологической ошибки ДаНет Да Нет Область грубой погрешности или метрологической ошибки РiРРi Нет , dP кУd контроль оценка погрешности кУ Да const d dP кУ Да const d dP кУ оценка погрешности Нет РiРРi I II , dP кУd контроль кУ Pi < Pн Pi > Pв Определение верхнего диапазона линейности метрологических характеристик Рв Определение нижнего диапазона линейности метрологических характеристик Рн Стандартная измерительная процедура по ГОСТу 17772-88 Определение I-го динамического диапазона Определение метрологических характеристик Ук на I-м диапазоне линейности Определение метрологических характеристик Ук на II-м диапазоне линейности Определение II-го динамического диапазона δкУ δкУ Совокупность плотностей мощности оптического излучения Р Рисунок 2 − Алгоритм процедуры определения метрологических характеристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения ( – допустимое значение погрешности; Рi – приращение плотности мощности) Алгоритм процедуры определения метро- логических характеристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примеся- ми в широком диапазоне плотностей мощно- сти оптического излучения показан на ри- сунке 2. Формирование погрешности определения метрологических характеристик ФЭПП на ос- нове полупроводников с многозарядными примесями Ук исп. иллюстрируется на приме- ре измерения фототока iф (рисунок 3). По- грешность определения характеристик таких приборов выражается степенью отличия ре- зультата испытания от истинного значения контролируемого метрологического парамет- ра Ук (например, фототока iф), т. е. того, которое он имел бы при отсутствии погреш- ности измерения Ук изм. (т. е. iф изм.) и по- грешности задания плотности мощности оп- тического излучения Р (рисунок 3): Ук исп. = Ук изм. – Ук ист., iф исп. = iф исп – iф ист.. (1) При определении метрологических характе- ристик ФЭПП на основе полупроводников с мно- гозарядными примесями актуальным с практиче- ской точки зрения является измерение истинного значения контролируемого метрологического па- раметра Ук ист. (в нашем примере iф ист.) в условиях, характеризуемых номинальным значением испы- тательного воздействия, т. е. плотности мощности оптического излучения Рном. Методы измерений, контроля, диагностики 102 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 PРномРном iф ном Δ i ф и зм Рн Рв Рн Рв iф ном Δ i ф и зм Δ i ф и зм Δ i ф и зм iф iф ном + ΔP(diф /dP) + iф изм. iф ном + ΔP(diф /dP) − iф изм. Δiф исп iф ном + ΔP(diф /dP) + Δiф изм. iф ном + ΔP(diф /dP) − Δiф изм. Область метрологической ошибки Δiф изм + ΔP·K Δiф изм − ΔP·K Δiф изм Рисунок 3 − Зависимость фототока iф и погрешности определения характеристик от плотности мощно- сти оптического излучения Р ФЭПП с многозарядными примесями ( ф di K dP ) Погрешность измерения контролируемого метрологического параметра задается значением приборной составляющей погрешности Ук изм. (в нашем примере iф изм.) и точностью задания плотности мощности оптического излучения Р (рисунок 3). Если бы погрешность измере- ния контролируемого метрологического пара- метра Уизм. ( iф изм.) отсутствовала, то возмож- ный результат испытаний находился бы в пре- делах кУ P d Р d (± ).ф dP di Р Наличие погрешности измерения контролируемого метрологического параметра Ук изм. (в нашем примере iф изм.), как видно из рисунка 3, приводит к расширению интервала неопределенности результата испы- тания. С учетом погрешности iф изм. контроль фототока с наибольшим по абсолютной вели- чине значением погрешности определения ха- рактеристики определяется соотношением: iф исп = iф изм. + dP di Р ф , iф = iф изм. iф исп = = iф изм. iф изм. + dP di Р ф . (2) Полученные соотношения, а также зависи- мость iф = (Р) показывают, что при попадании плотности мощности оптического излучения в область нелинейной рекомбинации Рн < Р < Pв, производная dP diф ( dP diф dP d dP d рn , ) зависит от P и, следовательно изменяется погрешность опре- деления характеристики, что не исключает пе- рехода в область метрологической ошибки. Ре- зультаты моделирования погрешности испыта- ний iф исп для ФЭПП на основе полупроводни- ков с многозарядными примесями приведены на рисунке 3. При плотности мощности оптиче- ского излучения Рн < Р < Pв, соответствующей области грубой погрешности (или метрологи- ческой ошибки), использовать данные ФЭПП не представляется возможным. Заключение На основании приведенных результатов можно сделать следующие выводы: – показана возможность нормирования метрологических характеристик ФЭПП с мно- гозарядными примесями в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения (10 -6–103 мкВ/см2), основанного на адекватной модели формирования областей низкой и высо- кой чувствительности, переключения между ними и оценки метрологических характеристик в этих поддиапазонах; Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 103 – предложен алгоритм процедуры измере- ний метрологических характеристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями, отличающийся от стандартной из- мерительной процедуры выявлением области линейности выходных характеристик, грубой метрологической ошибки и позволяющий уменьшить интервал неопределенности при попадании мощности оптического излучения в область нелинейной рекомбинации или при пе- реходе от одного поддиапазона чувствительно- сти к другому. Список использованных источников 1. Арутюнов, В.А. Перспективы разработок мо- нолитных охлаждаемых матричных ИК-прибо- ров для комплексированных многоспектраль- ных систем обнаружения в диапазонах 1,5–5 и 8–12 мкм / В.А. Арутюнов [и др.] // Прикладная физика. – 2005. – Вып. 5. – С. 84–91. 2. Semiconductor and integrate optoelectronics. Con- ference, Cardiff 2005. – IEEE Proc. Optoelectron. 2006. – № 1. – 146 р. 3. Ермаков, О.Н. Прикладная оптоэлектроника / О.Н. Ермаков. – М. : Техносфера, 2004. – 416 с. 4. Гусев, О.К. Моделирование метрологических характеристик фотоэлектрических преобразо- вателей на основе полупроводников с глубо- кими примесями / О.К. Гусев, Л.И. Шадурская, Н.В. Яржембицкая // Метрология и приборо- строение. – 2008. – № 2. – С. 22–25. 5. Гусев, О.К. Влияние плотности мощности оп- тического излучения на динамические метро- логические характеристики фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей с мно- гозарядными примесями / О.К. Гусев [и др.] // Метрология и приборостроение. – 2009. – № 3. – С. 13–16. 6. Гусев, О.К. Проектирование и управление мет- рологическими характеристиками фотоэлек- трических преобразователей на основе полу- проводников с многозарядными примесями / О.К. Гусев [и др.] // Датчики и системы. − 2011. – № 1. − С. 19−24. 7. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полу- проводниковые. Фотоэлектрические и фотопри- емные устройства. Gusev O.K., Svistun A.I., Shadurskaya L.I., Yarjembitskaya N.V. The identification algorithm of metrological characteristics of wide-range photovoltaic semicon- ductor converters with multiply impurities Metrological features of photovoltaic semiconductor converters (PSC) based on semiconductors with the multiple-charge impurities are investigated in a wide range of power densities of optical radiation. The algo- rithm of the measurement procedure of the metrological characteristics of PSC is introduced not only at low densities of optical power, but at high, taking into account the boundary of nonlinear recombination. The es- timation of accuracy of feature finding of the metrological characteristics PSC based on semiconductors with the multiple-charge impurities, is carried out, taking into consideration the area of nonlinear recombination. (E-mail: minskhome@tut.by) Key Words: photovoltaic semiconductor converters, metrological characteristics, multiple-charge impu- rities. Поступила в редакцию 03.10.2011.