Устройство для измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода Советский патент 1983 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к полупроводниковой фотрэлектроникв и может быть использовано для измерения элек рических и фотоэлектрических характе ристик лавинного фотодиода. Известно устройство для измерения пробивного напряжения выпрямляющих переходов, содержащее reHefiaTop импульсного напряжения и измерительное устройство, а также стабилитроны, ог раничивающие напряжение наиспытуемом образце при его пробое I. .Недостаток данного устройства состоит в возможности теплового пробоя контролируемого выпрямля1ощего пе рехода при длительном воздействии ис пытательного режима. Кроме этого, для испытуемых приборов различных ти пов необходим разный уровень стабили зации, что вызывает необходимость на стройки устройства в процессе его эксплуатации. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения пробивного напряжения выпрямляющих переходов, содерясащее генератор нарастающего напряжения, выход которого,через сме ситель соединен с второй шиной для подключения измеряемого выпрямляющего перехода и измерительным прибором а управляющий вход которого соединен с выходом порогового элемента, генератор высокочастотного напряжения, соединенный с вторым входом смесителя, -и токосъемный резистор, через первую шину соединенный последовательно с измеряемым выпрямляющим переходом 2 . Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость его схемы к.флуктуациям напряжения (шумам) на измеряемом выпрямляквдем переходе, что приводит к неопределен ности в определении момента перехода фазовой характеристики через нуль при котором измеряется напояжение п робоя,и ,какследствие, к значительнойпогрешности измерений. Цель изобретения - повышение точности измерения пробивного напряжения лавинного фотодиода. . Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения пробивного напряжения лавинного Фотодио да, содержащее высокочастотный генератор, измерительный прибор, генератор нарастагацего напряжения, первый управляквдий вход которого соединен с выходом компаратора, токосъемный резистор, соединенный с первой шинбй для подключения измеряемого фотодиода, введены селективный усилитель, Амплитудный детектор, функциональный логарифмический преобразователь, не.линейный операционный усилитель с за поминаккцим конденсатором, управляемый коммутатор, экстраполирующийкон денсатор, токостабилизируюшая схема, ключ, источник излучения, пороговая схема, генератор пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором и схема сброса, причем первая шина для подключения измеряемого фотодиода соединена через последовательно .соединенные селективный усилитель и амплитудный детектор с входами функционального логарифмического преобразова-. теля и пороговой схемы, выход которой соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения и вторым управляющим входом генератора нарастающего напряжения, ыход функционального логарифмического преобразователя соединен с входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с экстраполирующим конденсатором, а выход соединен со входом токостабилизирующей схемы, управляющий вход которой соединен с первым выходом, нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором, эторой выход которого соединен с управляющими входами управляемого коммутатора и ключа, вход которого соединен с выходом генератора нарастающего напряжения и. входом измерительного прибора, а выход - с второй шиной для подключения измеряемого фотодиода который Оптически связан с источн.иком излучения, вход которого соединен с выходом вы-сокочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором, выход компаратора соединен с первым управляющим входом измерительного прибора, а его вход - с экстраполирующим конденсатором, выход схемы сброса соединен с третьим управлякяцим входом генератора нарастающего напряжения, вторым управляющим входом измерительного прибора, управлякхцим входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором и вторым управляющим входом генератора пилообразного напряжения,, с запоминающим конденсатором. На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 временные диаграммы, пояснякщие работу устройства. О- напряжение на выходе генератора нарастающего напряжения смещения, изменяющееся по экспоненциальному закону; б- огибающая импульсов фотртока на выходе детектора; & - напряжение на выходе функционального логарифмического преобразователя, изменяющееся по закону . 1п(1-) ; - напряжение на первом выходе нелинейного операционного усилителя с запоминающим конденсатором, равное производной входного напряжения d - импульс напряжения на втором выходе нелинейного onepauHOHHofO усилителя с запоминающим конденсатором; „8- напряжение на экстраполирующем конденсаторе) « - прямоугольный импульс напряжения на выходе компара тора, Устройство для измерения пробивно го напряжения лавинного фотодиода (фиг. 1) содержит измеряемый лавин-, ный фотодиод 1, последовательно соединенный с токосъемным резистором 2/ IK точке их соединения подключены пос ледовательно соединенные селективный усилитель 3, амплитудный детектор 4, функциональный логарифмический npeoe разователь 5, нелинейный операционны усилитель 6 с запоминающим конденсатором/ второй выход которого соеди- . нен с входом управления коммутатора 7, который подключает экстраполирующий конденсатор 8 либо к выходу функ ционального логарифмического преобра зователя 5, либо к входу управляемой токостабилизирующей схемы 9, вход уп равления которой соединен с первым выходом нелинейного операционного усилителя 6. Генератор 10 нарастающе го напряжения, выход которого соединен с входом измерительного прибора 11 и через электронный ключ 12, вход управления которого соединен с вторым выходом нелинейного опэрационного усилителя 6, соединен с второй шиной для подключения лавинного фото диода 1. Компаратор 13, вход которого подключен к экстраполирующему кон денсатору 8, а выход - к первому управляющему входу Стоп генератора 10 нарастающего напряжения и первому управляющему входу запуска изме рительного прибора 11. Высокочастотный генератор 14 с электронной регулировкой амплитуды выходных импульсов соединен с источником 15 излучения, который оптически связан с лавинным фотодиодом I, а между выходом амплитудного детектора 4 и входом управления высокочастотното генератора 14 включены последовательно соединенные пороговая схема .16 и генератор 17 пилообразного напряжения с запоминающим конденсатером, причем выход пороговой схемы 16 связан также и с вторым управляющим входом Старт генератора 10 нарастающего напряжения. К -управляющим входам Сброс генератора 10 нарастающего напряжения, измерительного Прибора 11, генератора 17 пилообраз1ного напряжения с запоминающим конденсатором, нелинейного операционного усилителя 6 с запоминающим конден сатором подключена схема 18 сброса Устройство работает следующим образом.. В основе его работы лежит факт, что зависимость коэффициента лавин- ного умножения фототока от напряжения обратного смещения, при напряжениях, меньших напряжения пробоя, описывается формулой Миллера ()--7Т1Гг f где М - коэффициент лавинного з ножения фототока; и - напряжение обратного смещения;Ц напряжение пробоя; п - параметр Миллера. Прологарифмировав это выражение, получаем (1-;1)-п(Рпи-Рпи„р) (2; Отсюда следует, что при ,pвеличина 1п(1- ) является линейной функцией InU, наклон которой определяется величиной п. Тогда, экстраполировав, прямолинейный участок (участок постоянного наклона) кривой экспериментальной, зависимости 1п(1- 4:} |ОТ 1п и до значений 1п(1-)0, определим некоторое напряжение U логарифм которого, как следует из формулы (2), равен InUpp, т.е. это напряжение обратного смещения и есть искомое напряжение пробоя ( . На .испытываемый лавинный фотодиод 1 от генератора 10, через открытый электронный ключ 12, подается постоянное начальное напр яжение смещения Ug (фиг. 2/ а) соответствукадее безлавинному режиму работы фотодиода 1, при котором происходит автоматическая установка начального фототока 1фо через лавинный фотодиод 1. Для этого с выхода генератора 17 пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором линейно нарастакядее аналоговое напряжение поступает на вход управления амплитудой ВЫХОДНЕЛХ токовых импульсов высокочастотного генератора 14,. которые подаются на источник 15, изменяя интенсивность его излучения по линейно-возрастающему закону, начиная с нулевого значения. При воз- . действии возрастающих по амплитуде импульсов света на измеряемый лавинный фотодиод 1, через него начинают протекать возрастакяцие по амплитуде импульсы фототока, которые, протекая через токосъемный резистор 2, создают на нем падение напряжения, значение которого при заданных значенияхначального фототока XIQ и величины токосъемного резистора 2 определяет коэффициент лавинного умножения - М. Этот сигнал усиливается селективным усилителем 3, преобразуется амплитудным детектором 4 в постоянное напряжение и поступает на вход порог.овой схемы 16, порог срабатывания которой определяет величину начального фототока 1фАчерез лавинный фото1ДИОД 1. В момент превышения входным напряжением порога срабатывания.на выходе схемы. 16 появлабтся ш тульс управления, который, поступая на управляющий вкод генератора 17с запоминающим конденсатором, фиксирует действующее на его выходе в этот момент-значение аналогов.ого напряжения Одновременно импульс управления с выхода пороговой схемы 16 поступает на второй управляющий-вход Старт генератора 10, с выхода которого нарастающее по экспоненциальному закону напряжение поступает через открытый электронный ключ 12 на исследуемый лавинный фотодиод 1 (фиг, 2, а)-. С выхода детектора 4 огибающая фотоимпульсов тока (фиг. 2, б) поступает на вход функционального логарифмичес кого преобразователя 5, а с его в,ы-. хода напряжение, изменяющееся по занапряжение, КОНУ 1п(1- ) (фиг. 2, в), поступает нелинейного на вход нелинейного операционного усилителя .6 с запоминающим конденсатором. Так как напряжение смещения, приложенное к исследуемому лавинному фотодиоду 1, изме}1яется во времени по экспоненциальному закону, то зависимость . In (1-.-Д-) от времени или, .что тоже самое, от In U будет иметь линейный участок (участок постоянного наклона), На первом выходе нелинейного операционного усилителя 6 с запоминающим крнденсатором вЫделяется экстремум производной входногонапряжения, численно равный параметру Миллера.п в формуле (1) и запоминается его значение (фиг, 2, г). На. втором вых.оде нелинейного операционного усилителя 6 формируется импульс, совпадающий по времени-с экстремумом производной входного на пряжения (фиг. 2, д), который посту-пает на управляющий вход электронного ключа 12 и закрывает его, отключа тем самым выход генератора 10 от лавинного фотодиода 1, а . также на уп.равлякяций в.ход коммутатора 7, которы переключает экстраполирующий конденсатор 8, подключенный в исходном состоянии к выходу функционального логарифмического преобразователя 5,. к. входу управляемой, токостабилиэирую щей схемы 9, после чего происходит - его разряд постоянным током, величина которого определяется действующим на управлягадем входе токостабилиэирукщей схемы 9 напряжением. Иными словами по заданной точке А (фиг. 2, в) определяемой величиной напряжения на экстраполирующем конденсаторе 8 в момент его подключения к токостабилизируквдей схеме 9 и углу наклона f-f определяемому величиной . разрядного тока, происходит автомати -ческая экстраполяция линейного участ ка зависимости 1п.(1-) до обращения ее в нуль (фиг. 2, е) . Определение нулевого значения напряжения на эксТраполирующем конденсаторе 8 происходит с помощью компаратора 13, к входу которого он подключен. Когда напряжение на экстраполирующем конденсаторе 8 достигнет нулевого значения, на выходе компаратора 13 формируется импульс (фиг. 2, ж), который поступает на первый управляющий вход Стоп генератора 10 ивход внешне-г . го запуска измерительного прибора (которым может быть цифровой вольтметр) 11,- при этом нарастание напря- жения на выходе генератора- 10 прекр щается, а действующее на его выходе в этот момент напряжение запоминаетс-я (фиг. 2, а) и регистрируется изм рительным прибором 11. Для возвращения всей схемьг в исходное состояние с целью подготовки устройства к последующим измерениям используется схема 18 сброса, с выхочг Да которой сформированный импульс поступает . на . управлякндие входы Сброс генератора 10., измерительного прибора 11, генератора 17 с запоминающим крнденсатором,. нелинейного операционного усилителя 6 с запоминающим кОнденсатором. В сравнении с прото.типом, который является и базовым объектом,.предлагаемое устройство позволило полностыа исключить влияние шумовых характерно- тик исследуемого лавинного фотодиода на результаты измерений и за счет этого повысить их Т9чность. так как . для снятия зависимости tf {1--)в схемд устройства используется селективный усилитель, а определение напряжения пробоя производится в момент времени, когда исследуемый лавинный фотодиод фактически исключен из измерительной схемы. Так как испытываемый лавинный фотодиод подвергается воздействию обратного напряжения смещения только при снятии линейного учасТ ка зависимости 2n(l- -jf) / которая снимается при напряжениях, заведомо меньших -напряжения -пробоя, то, как это очевидно, предлагаемое устройство позволит полностью исключить возможность повреждения и.ли выхода из строя контролируемого прибора, а следовательно/ повысить процент выхода годных приборов на этапе контроля их параметров. . Использование в предлагаемом устройстве схемы автоматической установки начального фототока 1фд генератора нарастающего напряжения, работающего в режиме Старт-Стоп-Сброс , схемы автоматической экстраполяции функции Рп (1- ) , а также цифрового вольтметЕ а позволило полностью автоматизировать процесс измерения напряжения

пробоя, являющегося основной характеристикой лавинных фотодиодов. Автоматизация собственно процесса измерения напряжения пробоя, а также возможность сштоматизации в предлагаемом устройств1е и процеЪса записи результатов измерения с помощью цифропечатакедей машины, так как в устройстве может использоваться цифровой вольтметр позволит повысить произ,водйтельность измерений в целом, что |особенно важно в заводских условиях

при стопроцентном контроле напояже.нйя пробоя:лавинных фотодиодов.

Следует также отметить, что изобретение позволит, наряду с измерением напряжений пробоя лавинных фотодиодов проводить измерение и других фотоэлектрических параметров лавинных фотодиодов, таких К9.к; начальный темновой ток - 1, коэффициент лавинного умножения - М, параметр Миллера - п, что существенно расширяет его функциональные возможности.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯХСЕНИЯ ЛАВИННОГО ФО- . ТОДИОДА, содержащее высокочастотный генератор, измерительный прибор, генератор нарастающего напряжения, первый управляк |ций вход которого соединен с выходом компаратора, токосъемный резистор, соединенный с первой шиной Для подключения измеряемого фотодиода, о тли ч ающеес я тем,. что, с целью повышения точности измерения, в него введены селективный усилитель, амплитудный детектор, функциональный логарифмический преобразователь, нелинейный операционный усилитель с запом81нан)адим конденсатором, управляемый коммутатор, экстраполи- . рующий конденсатор, токостабилизируюадая схема, ключ, источник излучения, пороговая схема, генератор пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором и схема сброса, причем первая шина для тлолключения измеряемого фотодиода соединена через последовательно соединенные селективный усилитель и амплитудный детектор с входами функционального логарифмического преобразователя и- пороговой схемы, выход которой соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения и вторым управляющим входом генератора нарастающего .напряжения, выход функционального логарифмического преобразователя соединен с входам нелинейного операционноногр усилителя с запоминающим конденсатором и первым входом управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с экстраполируклдим конденсатором,- .а выход соединен с входом токостабилизирукщей схемы, управляющий вход котрррй соединен с первым выходом нелинейного операционного усилителя сзапоминающим конденсатором, второй выход которого соединен с упа S3 равляющими входами управляемого коммутатора и ключа, вход которого сое(Л динен с выходом генератора нарастающего напряжения и входом измерительного прибора, а выход - с второй щиной для подключения измеряемого фотодиода, который оптически связан с источником излучения, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора пиоэ лообразного напряжения с запоминающим конденсатором, выход компаратора со со со to соединен с первым управляющим входом измерительного прибора, а его вход с экстраполирующим конденсатором, схемы сбр.оса соединен с третьим управляющим входом генератора нарасТаквдёго напряжения, вторым управляющим входом измерительного прибора, управляющим входом нелинейного операционного усилителя с запоминающим кон.денсатором и вторым управляющим входом генератора пилообразного напряжения с запоминающим конденсатором.

/7

ТК1

;5Г

JT

f

fj

fff

c ff/f

т

Н

S

fff

ф1К./

У

4Г