Устройство для контроля качества лавинных фотодиодов Советский патент 1984 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к полупроводниковой, фотоэлектронике и может быть использовано для контроля качества .лавинных фотодиодов в процессе их изготовления и применения, а также при отработке изделий с дефектами, обуславливающими микроплазменный пробой, и для измерения параметров и фотоэлектрических характеристик лавинных фотодиодов. Известно устройство для измерения коэффициента умножения лавинног фотодиода, содержащее источник опорного напряжения, соединенный с клеммой для подключения: первого вывода испытуемого лавинного фотоди ода, оптически связанного с источником излучения, лучистый.поток которого модулирован электромеханическим прерывателем и синхронный детектор, вход которого подключен к клемме для соединения второго вывод лавинного фотодиода и сопротивления нагрузки, а опорный канал синхронного детектора присоединен к сикхронизирующему вькоду электромеха нического прерывателя lj . Известное устройство позволяет измерить фототОк лавинного фотодиода (ЛФД) при заданном напряжении смещения. Из данных измерений фототока расчетным путем можно определить .один из основных показателей качества лавинного фотодиода - коэф фициент. М умножения фототока. Этот параметр существенно зависит от качества поверхности и объема струк туры лавинного фотодиода. В некачес венных приборах вследствие влияния дефектов пробой р-п-переходов проис ходит не однородно по всей площади, а локализуется в отдельных областях называемых микроплазмш и. Микроплазменные образцы, как неудовлетво ряющие основным параметрам и потенциально ненадежные должны быть отбракованы. Поэтому контроль качеств лавинного фотодиода прежде всего включает В себя контроль микроплазм Известное устройство позволяет контролировать микроплазмы по виду кривой зависимости коэффициента умн жения от напряжения, которую Яожно построить по данным измерений фототока при различных смешгиощих напряжениях. Недостатком известного устройств является низкая точность контроля. 37 . 2 так как оно не дает .полной информации о зависимости коэффициента умножения от напряжения из-за дискретного характера измерений по точкам. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для контроля качества лавинных фотодиодов, содержащее генератор пилообразного напряжения и источник постоянного напряжения, соединенные выходами с первой шиной для подключений испытуемого прибора, оптически- связанного -с высокочастотHbiM светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты, присоединенные к второй шине для подключения испь1туемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель, а также двухкоординатный регистратор L2J . Данное устройство позволяет получить на экране осциллографа, который используется в качестве двухкоординатнога регистратора, непосредственно характеристику зависимости коэффициента умножения от напряжения и по ней судить о микроплазменном пробое и максимальном коэффициенту умножения лавинного фотодиода. Однако это устройство характеризуется низкой точностью контроля качества лавинного фотодиода, обусловленной прежде всего самой методикой оп ределения дефектности прибора по виду кривой зависимости коэффициета умножения от напряжения, так как коэффициент умножения фототока является сложной степенной функцией напряжения и на глаз нельзя точно определить степень отклонения реальной характеристики от теоретической. Особенно низка точность, если напряжение зажигания микроплазмы незначительно отличается от напряжения однородного пробоя, или если вклад фототока микроплазмь в общий фототок диода малый, а также, если неоднородность пробоя р-п-перехода обусловлена не микроплазменными дефектами, и неоднородностью профиля легирования, неоднородностью контактов и т.д. Цель изобретения - повьшение точности контроля качества лавинного фотодиода.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля качества лавинных фотодиодов, содержащее генератор пилообразного напряжения и источник постоянного напряжения, соединенные выходами с первой шиной для подключения испытуемого прибора оптически связанного с высокочастотным светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты, присоединенные к второй шине для подключения испытуемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель, а также двухкоординатный регистратор, введены селективный детектор, логарифматор отношения, источник опорного напряжения и логарифматор напряжения, причем селективный детектор включен между выходом широкополосного усилителя и первым входом логарифматора отношения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход т с входом вертикального отклонения двухкоординатного регистратора, подключенного входом горизонтального отклонения к выходу генератора пилообразного напряжения через логарифматор напряжения. ,

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства на фиг. 2 - зарегистрированная характеристика для безмйкроплазменного германиевого лавинного фотодиода на фиг. 3 - характеристик для микроплазменного лавинного фотодиода, т.е. диода с дефектами.

Устройство содержит генератор 1 пилообразного напряжения, источник 2 постоянного напряжения, источник 3 излучения, выполненый в виде высокочастотного светодиода, генератор 4 импульсных сигналов высокой частоты, последовательно соединенные фильтр 5 верхних частот,, аттенюатор 6, широкополосный усилитель 7, селективный детектор 8, логарифматор 9 отношениявторой вход которого подключен к источнику 10 опорного напряжения, а также логарифматор 11 напряжения. Выходы логарифматора 11 напряжения и логарифматора 9 отношения подключены к входам хну двухкоординатног регистратора 12 соответственно.

В качестве двухкоординатного регистратора может быть использован

осциллограф, либо самописец (для более точной регистрации характеристик) .

Фильтр 5 верхних частот соединен с.шиной для подключения второго -вывода испытуемого прибора 13, к шине для подключения первого вывода которого подключены источник 2 постоянного напряжения и генератор 1 пилообразного ,напряжения. Фотодиод. 13 оптически связан с источником излучения, соединенным с генератором 4 импульсных сигналов высокой частоты. Логарифматор 9 отношения выполнен, например, в виде двух логарифмических усилителей 14 и 13 и дифференциальной схемы 16 вычитания, инвертирующий и неинвертирующий входы которой соединены соответственно с выходами логарифмических усилителей 14 и 15.

Вход логарифмическогоусилителя 1 через входной резистор 17 подключен к выходу селективного детектора 8 и через входной резистор 18 - к (ВЫХОДУ источника 10 опорного напряжения .

Вход логарифмического усилителя 15 через входной резистор 19 подключен к выходу селективного детектора 8.

Устройство работает следующим обрзом.

На испытуемый прибор 13 от источника 2 подается постоянное напряжени близкое к лавинному. Пилообразное напряжение низкой частоты (около 100 Гц) от генератора 1 переводит .фотодиод в лавинный, режим.

При подаче на высокочастотный . светодиод 3 от генератора 4 ,импульсных сигналов высокой частоты (свыше 100 кГц) на темновую вольтамперную характеристику фотодиода накладагоаются высокочастотные импульсы фототока, несущие информацию с коэффициента умножения фотоносителей в лавинном режиме.

Общий токовый импульс с выхода фотодиода поступает на фильтр 5 верхних частот, который отфильтровывает низкочастотные импульсы темнового тока, и пропускает на вход аттенюатора 6 только высокочастотные импульсы фототока, которые затем .усиливаются широкополосным усилителем 7 я поступшот на вход быстродейств (ощего селективного детектора 8, где происходит преобразование амапитуды импульсов ,в постоянное напряжение. С выхода селективного детектора 8 напряжение, пропорциональное фотото лавинного фотодиода, поступает чере входные резисторн 17 и 19 на входы логарифмических усилителей 14 и 15 соответственно, входящих в схему логарифмического отношения. На вход логарифмического усилителя 14 через входной резистор 18 подается, также напряжение UQ от источника 10 опорного напряжения. Сигнал Ig Цф, пропорциональный .амплитуде высокочастотных импульсов фототока с выхода логарифмического усилителя 15, и сигнал Ig (Ujp-Hg), с выхода логарифмического усилителя 14, подаются соответственно на инвертирующий и неинвертирукнций входы дифференциальной схемы 16 вычитания на выходе которой возникает сигнал, пропорциональный Оф - U . Ig (). Этот сигнал можно сделать пропорциональным 1 Ig (1 - -((7) если опорное напряжение UQ источника опорного , напряжения установить равным выходному сигналу селективного детектора Uft П15и низком напряжении смещения лавинного фотодиода, когда-лавинный пробой еще не наступает. При абсолютном .равенстве выходного напряжения селективного детектора и напряжения от источника опорного напряже ния, выходной сигнал логарифматора отношения должен был бы стремиться к минус бесконечности, что на практике невозможно. Поэтому напряжение источника опорного напряжения устанавливается близким к Цф, причем так, чтобы напряжение UQ по абсолют ной величине было меньше напряжения Dtp, что необходимо для обеспечения нужной полярности суммарного входного тока логари4я4атора отношения. Регулировка выходного напряжения источника опорного напряжения контролируется по выходному напряжению логарифматора отношения. После запуска генератора пилообразных импульсов напряжения и перевода лавинного фотодиода в лавинный режим работы сигнал, снимаемый с выхода селективного детектора, будет увеличиваться пропо)ционально увеличению коэффициента умножения, а выходное напряжение логарифматора отношения при этом будет изменяться по закону по закону Ig (1 эквивалентно. Выходное напряжение логарифматора 9 отношения подается на вход у регистратора 12, а выходное напряжение логарифматора напряжения, представляющее собой логарифм напряжения смещения диода Ig и, подается на вход X осциллографа. Нри этом на экране осциллографа будет наблюдаться непосредственно характеристика зависимости вида 1 igCl- ju) fdg и). Для лавинных фотодиодов с однородным пробоем по всей площади р-п-перехода эта характеристика является прямой линией с наклоном к оси напряжений, равным показателю п степенной зависимости коэффициента умножения от напряжения 1 и п 1-( -) Uflp Параметр не зависит от напряжения и для данной длины волны света является константой. Однако если пробой по площади р-п-перехода распределен неоднородно, например, из-за неравномерности градиента диффундирующей примеси, неоднородности контактов, неоднородности объемных параметров полупроводникового материала, из которого изготовлен лавинный фотодиод, параметр становится функцией . напряжения и зависимость вида lg(1- jf) f(lg и) заметно отклоняется от прямолинейной. Микроплазмы проявляются цо данной зависимости в виде острых максимумов и размещаются с высокой степенью достоверности. Напряжение пробоя лавинного фотодиода определяется непосредственно из графика данной зависимости как точка пересечения прямой с осью напряжений. Причем, такой способ измерения лавинного пробоя является 7 1Ю наиболее точным по отношению ко всем другим известным способам, так как дает физическое значение , близкое к теоретическому (по определению под напряжением лавинного пробоя понимается такое напряжение,, при ко торбм коэффициент умножения стремится к бесконечности), При этом область напряжений Смещения диода остается ниже напряжения пробоя, а коэффициенты умножения не обязательно должны иметь высокие значения. 7 Так как определяется.оператором непосредственно в процессе испытания образца, устройство позволяет проводить контроль качества лавинного фотодиода в таком режиме, при котором напряжение смещения, подаваемое на образец от генератора пилообразного напряжения не будет превьшать напряжение лавинньго пробоя, что исключает разрушение приборов в процессе контроля.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ, содержащее генератор пилообразного напряжения и источник постоянного напряжения, соединенные выходами с первой шиной для подключения испытуемого прибора, оптически связанного с высокочастотным светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты. присоединеные к второй шине для подключения испытуемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель, а также двухкоординатный регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, в него введены селективный детектор, логарифматор отношения, источник опорного напряжения и логарифматор напряжения, причем селективный детектор включен между выходом широкополосного усилителя и первым входом логарифматора отношения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с входом вертикального отклонения двухкоординатного регистратора, подключенного входом горизонтального отклонения к выходу генеjparopa пилообразного напряжения через логари4матор напряжения. х 9 : к1