Фотометр Советский патент 1992 года по МПК G01N21/59 

Фиг.

Изобретение относится к фотометрии малых модуляций световых потоков и, в частности, может быть использовано для исследования различиях воздействий на материал, при которых меняется его прозрачность

Известно устройство для регистрации изменения оптических потерь, содержащее источники светового излучения, светоделитель, два идентичных фотодиода, один из которых установлен в измерительном, а другой - в опорном каналах фотометра, два операционных усилителя, подключенных к фотодиодам, вольтметр, подключенный к выходам операционных усилителей, источник питания.

Это устройство обладает существенным недостатком - низким амплитудным разрешением при регистрации изменения оптических потерь в исследуемой среде при больших значениях интенсивности измерительного светового потока, т.е. при высокой прозрачности исследуемого материала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее источник излучения, фотодиод, нагрузочное сопротивление, источник питания и регистрирующий прибор. При помощи данного устройства величину модуляции светового потока регистрируют на сопротивлении, включенном последовательно с фотодиодом, на который падает световой поток, и источником питания.

Однако данное устройство для регистрации изменения оптических потерь не обладает высокой чувствительностью при регистрации, неполных (малых) изменений интенсивных световых потоков.

Целью изобретения является повышение чувствительности и увеличение соотношения сигнал/шум.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - вольт-амперные и нагру- зочные характеристики фотодиодов, соответствующие рабочей области устройства; на фиг. 3 - пример конкретного выполнения устройства.

Устройство содержит источник 1 светового излучения,светоделитель 2 с регулируемым коэффициентом деления, два фотодиода 3 и 4, включенные последовательной оптически связанные со светоделителем, регистрирующий прибор 5, подключенный к одному из фотодиодов (на фиг. 1 к фотодиоду 4), источник б питания, включенный последовательно с фотодиодами 3 и 4.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения при помощи светоделителя 2 с регулируемым коэффициентом деления делится на два световых потока, Один световой поток проходит через исследуемую модулирующую среду 7 и падает на фотодиод 3, другой световой поток падает на фотодиод 4. Регистрируемый сигнал снимается с любого из фотодиодов, например с фотодиода 4, который является нагрузкой по отношению к фотодиоду 3, и подается на регистрирующий прибор 5.

Изменяя интенсивности обоих световых потоков при помощи светоделителя с

регулируемым коэффициентом деления, реализуют рабочую область электрической схемы устройства. Вольт-амперные (а) и нагрузочная (б)характеристики фотодиодов 3 и 4, соответственно, представлены на фиг.

2, когда модуляция измерительного потока, излучения, падающего на фотодиод 3, созданная изменением оптических потерь в исследуемой модулирующей среде, вызывает изменение Л тока ф фотодиода 3, приводящее к значительному изменению напряжения AV на нагрузочном фотодиоде 4, Это происходит вследствие того, что динамическое сопротивление для модуляционной составляющей сигнала много

больше, чем в случае линейного преобразования (нагрузки на резистор).

Устройство характеризуется скачкообразным повышением чувствительности, что обусловлено последовательно включенными фотодиодами и источником питания. Именно такое соединение элементов в измерительной схеме, когда каждый из фотодиодов нагружен на нелинейную нагрузку (p-n-переход другого фотодиода), дает возможность нелинейно преобразовать световые потоки в электрические сигналы, выделив только информативную часть сигнала и растянуть ее на весь амплитудный диапазон системы регистрации.

Увеличение соотношения сигнал/шум обусловлено формированием световых потоков для двух фотодиодов от одного источника излучения и встречным включением фотодиодов (при этом происходит компенсация шумов и нестабильность источника излучения). Это дает возможность обнаружения электрофотометром малых модуляций световых потоков с высокой чувствительностью при простой, компактной и доступной

измерительной аппаратуре, что может быть широко использовано, например, при бесконтактных (оптических) методах исследования параметров полупроводниковых структур.

Пример. Устройство было использовано при измерении эффективного времени жизни неравновесных носителей в кремнии.

Блок-схема экспериментальной установки, представленная на фиг. 3, содержит источник 8 длинноволнового излучения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны кремния (h v Ед) или оптический зонд, светоделитель 9, поворотное зеркало 10, источник 11 коротковолнового излучения с энергией h v , большей ширины Ед, запрещенной зоны кремния (h v Ед) или оптический инжектор, поворотное зеркало 12, модулятор 13 излучения инжектора, объектив 14, исследуемый образец 15, фотодиоды 16 и 17, источник 18 питания, регистрирующий прибор 19.

Когда полупроводниковый образец 15 освещается светом оптического инжектора 11 с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны, в нем образуются неравновесные носители тока. Одновременно образец освещается длинноволновым светом оптического зонда 8 с энергией фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника. Этот длинноволновый свет частично поглощается неравновесными носителями тока. Интенсивность прошедшего через образец 15 длинноволнового света оптического зонда 8 зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором 11. Так как концентрация неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по изменению интенсивности прошедшего через образец длинноволнового света определить время жизни неравновесных носителей тока.

Поскольку относительное изменение интенсивности зондирующего излучения, вызванное генерацией неравновесных носителей в образце, составляет величину порядка - , то ее регистрация представляет определенные сложности.

Устройство работает следующим образом.

При помощи гелий-неонового лазера, генерирующего излучение на длине волны Лз 1,15 мкм (на данной длине волны кремний обладает достаточной прозрачностью), светоделители и зеркала формируют светб- вые потоки и направляют их на фотодиоды 16 и 17, включенные последовательно с источником 18 питания. На фотодиоды 16 и 17 подают обратное смещение, равное 20 В.

Сигнал регистрируют на фотодиоде 17, включенном в опорный канал при помощи регистрирующего прибора 19 (осциллсмра- фа), Образец 15 (кремниевая плоскопарэд

лельная пластинка толщиной I 400 мкм и диаметром d 50 мм)устанавливают на пути одного из световых потоков. В качестве оптического инжектора 11 используют второй лазер, генерирующий излучение на А+, 0,63

мкм. Излучение инжектора модулируют на частоте f 100 кГц (исходя из ожидаемого эффективнс о времени жизни неравновесных носителей) при помощи модулятора 13 и зеркалом 12 направляют его на исследуемый образец 15 параллельно зондирующему лучу. Исследуемый образец 15 помещают в фокальную плоскость объектива 14, обеспечивая тем самым совмещение зондирующего и инжектирующего световых потоков в

образце. Излучение оптического инжектора 11 мощностью Р, равной 10 мВт, было сфокусировано на исследуемом образце 15 в пятно диаметром d 0,2 мм.

При сравнительных испытаниях модуляция лазера-зонда, возникающая при освещении полупроводникового образца 15 инжектором 11, измерялась как с использованием предлагаемого технического решения, так и с использованием его прототипа.

При этом оказалось, что в первом случае отношение полезного сигнала к уровню шума равнялось примерно 8, в то время, как при использовании прототипа полезный модуляционный сигнал на фоно шумового сигнала зарегистрировать не удалось

Формула изобретения Фотометр для регистрации изменения оптических потерь в исследуемой модулирующей среде, включающий источник излучения и оптически связанный с ним фотодиод с подключенными к нему источником питания, нагрузочным сопротивлением и регистрирующим прибором, отличающийся

тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения отношения сигнал - шум. в него дополнительно введен светоделитель с регулируемым коэффициентом деления, размещенный между источником излучения

и фотодиодом, в качестве нагрузочного сопротивления использован второй фотодиод, расположенный по ходу луча, отраженного от светоделителя, оба фотодиода включены последовательно с источником питания, а

регистрирующий прибор подключен к одному из фотодиодов.

iqj+AL

Использование: в электрофотометрах для регистрации малых модуляций световых потоков. Сущность изобретения: устройство содержит источник 1 излучения,светоделитель 2 с регулируемым коэффициентом деления и электрическую схему, включающую два фотодиода 3 и 4, оптически связанные со светоделителем 2, регистрирующий прибор 5 и источник 6 питания, причем фотодиоды 3 и 4 подключены последовательно к источнику 6 питанил, а регистрирующий прибор 5 подключен к одному из фотодиодов. Дополнительный ввод фотодиода, являющегося нагрузочным, позволяет резко увеличить сопротивление нагрузки для модуляционной составляющей сигнала,3 ил.

,10

M

Г

T5

13

ФигЗ

11