SU1758527A1

SU1758527A1 - Photometer

Info

Publication number: SU1758527A1
Application number: SU894754350A
Authority: SU
Inventors: Алексей Сергеевич Иванов; Александр Борисович Федорцов
Original assignee: Северо-Западный Заочный Политехнический Институт
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1992-08-30

Abstract

Использование: в электрофотометрах дл регистрации малых модул ций световых потоков. Сущность изобретени : устройство содержит источник 1 излучени ,светоделитель 2 с регулируемым коэффициентом делени и электрическую схему, включающую два фотодиода 3 и 4, оптически св занные со светоделителем 2, регистрирующий прибор 5 и источник 6 питани , причем фотодиоды 3 и 4 подключены последовательно к источнику 6 питанил, а регистрирующий прибор 5 подключен к одному из фотодиодов. Дополнительный ввод фотодиода , вл ющегос нагрузочным, позвол ет резко увеличить сопротивление нагрузки дл модул ционной составл ющей сигнала,3 ил.Usage: in electrophotometers for registering small modulations of light fluxes. SUMMARY OF THE INVENTION: The device comprises a radiation source 1, a beam splitter 2 with an adjustable division factor, and an electrical circuit including two photodiodes 3 and 4 optically coupled to the beam splitter 2, a recording device 5 and a power source 6, the photodiodes 3 and 4 being connected in series to the source 6 power supply, and the recording device 5 is connected to one of the photodiodes. The additional input of the photodiode, which is a load, allows a sharp increase in the load resistance for the modulation component of the signal, 3 sludge.

Description

Фиг.FIG.

Изобретение относитс к фотометрии малых модул ций световых потоков и, в частности , может быть использовано дл исследовани различи х воздействий на материал, при которых мен етс его прозрачностьThe invention relates to the photometry of small modulations of light fluxes and, in particular, can be used to study the differences in effects on a material, at which its transparency changes.

Известно устройство дл регистрации изменени оптических потерь, содержащее источники светового излучени , светоделитель , два идентичных фотодиода, один из которых установлен в измерительном, а другой - в опорном каналах фотометра, два операционных усилител , подключенных к фотодиодам, вольтметр, подключенный к выходам операционных усилителей, источник питани .A device for recording changes in optical loss is known, comprising light sources, a beam splitter, two identical photodiodes, one of which is installed in the measuring and the other in the reference channels of the photometer, two operational amplifiers connected to the photodiodes, a voltmeter connected to the outputs of the operational amplifiers, power source.

Это устройство обладает существенным недостатком - низким амплитудным разрешением при регистрации изменени оптических потерь в исследуемой среде при больших значени х интенсивности измерительного светового потока, т.е. при высокой прозрачности исследуемого материала.This device has a significant drawback - low amplitude resolution when registering changes in optical losses in the test medium at large values of the intensity of the measuring light flux, i.e. with high transparency of the material under study.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс устройство, содержащее источник излучени , фотодиод, нагрузочное сопротивление, источник питани и регистрирующий прибор. При помощи данного устройства величину модул ции светового потока регистрируют на сопротивлении , включенном последовательно с фотодиодом, на который падает световой поток, и источником питани .The closest in technical essence to the invention is a device comprising a radiation source, a photodiode, a load resistance, a power source and a recording device. With this device, the magnitude of the modulated luminous flux is recorded at a resistance connected in series with the photodiode, on which the luminous flux falls, and the power source.

Однако данное устройство дл регистрации изменени оптических потерь не обладает высокой чувствительностью при регистрации, неполных (малых) изменений интенсивных световых потоков.However, this device for recording changes in optical loss does not have a high sensitivity when registering incomplete (small) changes in intense light fluxes.

Целью изобретени вл етс повышение чувствительности и увеличение соотношени сигнал/шум.The aim of the invention is to increase the sensitivity and increase the signal-to-noise ratio.

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 выполнени устройства.FIG. 1 is a block diagram of the device; in fig. 2 - current-voltage and load characteristics of photodiodes corresponding to the working area of the device; in fig. 3 is an example of a specific embodiment of the device.

Устройство содержит источник 1 светового излучени ,светоделитель 2 с регулируемым коэффициентом делени , два фотодиода 3 и 4, включенные последовательной оптически св занные со светоделителем , регистрирующий прибор 5, подключенный к одному из фотодиодов (на фиг. 1 к фотодиоду 4), источник б питани , включенный последовательно с фотодиодами 3 и 4.The device contains a light source 1, a beam splitter 2 with an adjustable division factor, two photodiodes 3 and 4 connected optically connected to the beam splitter, a recording device 5 connected to one of the photodiodes (in Fig. 1 to the photodiode 4), power supply b connected in series with photodiodes 3 and 4.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Световой поток от источника 1 светового излучени при помощи светоделител 2 с регулируемым коэффициентом делени делитс 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 снимаетс с любого из фотодиодов, например с фотодиода 4, который вл етс нагрузкой по отношению к фотодиоду 3, и подаетс на регистрирующий прибор 5.The luminous flux from the light source 1 by means of a splitter 2 with an adjustable division factor is divided into two luminous fluxes. One luminous flux passes through the studied modulating medium 7 and falls on photodiode 3, another luminous flux falls on photodiode 4. The recorded signal is removed from any of Photodiodes, for example, from photodiode 4, which is a load relative to photodiode 3, and fed to a recording device 5.

Измен интенсивности обоих световых потоков при помощи светоделител сChanging the intensity of both light fluxes using beam splitter with

регулируемым коэффициентом делени , реализуют рабочую область электрической схемы устройства. Вольт-амперные (а) и нагрузочна (б)характеристики фотодиодов 3 и 4, соответственно, представлены на фиг.adjustable division ratio, realize the working area of the electrical circuit of the device. The current-voltage (a) and load (b) characteristics of photodiodes 3 and 4, respectively, are presented in FIG.

2, когда модул ци измерительного потока, излучени , падающего на фотодиод 3, созданна изменением оптических потерь в исследуемой модулирующей среде, вызывает изменение Л тока ф фотодиода 3, привод щее к значительному изменению напр жени AV на нагрузочном фотодиоде 4, Это происходит вследствие того, что динамическое сопротивление дл модул ционной составл ющей сигнала много2, when the modulation of the measuring flux, the radiation incident on the photodiode 3, created by the change in optical loss in the modulating medium under study, causes a change in L of the current f of the photodiode 3, leading to a significant change in the voltage AV on the load photodiode 4, This is due to that the dynamic resistance for the modulation component of the signal is much

больше, чем в случае линейного преобразовани (нагрузки на резистор).more than in the case of linear conversion (resistor load).

Устройство характеризуетс скачкообразным повышением чувствительности, что обусловлено последовательно включенными фотодиодами и источником питани . 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 раст нуть ее на весь амплитудный диапазон системы регистрации.The device is characterized by an abrupt increase in sensitivity, which is caused by the series-connected photodiodes and the power source. It is this combination of elements in the measuring circuit, when each of the photodiodes is loaded onto a nonlinear load (p – n junction of another photodiode), makes it possible to nonlinearly convert light fluxes into electrical signals, selecting only the informative part of the signal and stretching it over the entire amplitude range of the recording system.

Увеличение соотношени сигнал/шум обусловлено формированием световых потоков дл двух фотодиодов от одного источника излучени и встречным включением фотодиодов (при этом происходит компенсаци шумов и нестабильность источника излучени ). Это дает возможность обнаружени электрофотометром малых модул ций световых потоков с высокой чувствительностью при простой, компактной и доступнойThe increase in the signal-to-noise ratio is due to the formation of light fluxes for two photodiodes from a single radiation source and counter-switching on of photodiodes (this results in noise compensation and instability of the radiation source). This makes it possible to detect by the electrophotometer small modulations of light fluxes with high sensitivity with simple, compact and affordable

измерительной аппаратуре, что может быть широко использовано, например, при бесконтактных (оптических) методах исследовани параметров полупроводниковых структур.instrumentation, which can be widely used, for example, in contactless (optical) methods for studying the parameters of semiconductor structures.

Пример. Устройство было использовано при измерении эффективного времени жизни неравновесных носителей в кремнии .Example. The device was used to measure the effective lifetime of nonequilibrium carriers in silicon.

Блок-схема экспериментальной установки , представленна на фиг. 3, содержит источник 8 длинноволнового излучени с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны кремни (h v Ед) или оптический зонд, светоделитель 9, поворотное зеркало 10, источник 11 коротковолнового излучени с энергией h v , большей ширины Ед, запрещенной зоны кремни (h v Ед) или оптический инжектор, поворотное зеркало 12, модул тор 13 излучени инжектора, объектив 14, исследуемый образец 15, фотодиоды 16 и 17, источник 18 питани , регистрирующий прибор 19.The block diagram of the experimental setup shown in FIG. 3, contains a source of 8 long-wave radiation with an energy smaller than the silicon band gap (hv U) or an optical probe, a beam splitter 9, a swivel mirror 10, a source of short-wave radiation 11 with an energy hv, greater than a width Un, silicon forbidden zone (hv U) or optical injector, rotating mirror 12, injector radiation modulator 13, lens 14, sample under study 15, photodiodes 16 and 17, power supply 18, recording device 19.

Когда полупроводниковый образец 15 освещаетс светом оптического инжектора 11 с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны, в нем образуютс неравновесные носители тока. Одновременно образец освещаетс длинноволновым светом оптического зонда 8 с энергией фотонов , меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника. Этот длинноволновый свет частично поглощаетс неравновесными носител ми тока. Интенсивность прошедшего через образец 15 длинноволнового света оптического зонда 8 зависит от концентрации неравновесных носителей тока, созданных оптическим инжектором 11. Так как концентраци неравновесных носителей тока зависит от их времени жизни, то можно по изменению интенсивности прошедшего через образец длинноволнового света определить врем жизни неравновесных носителей тока.When the semiconductor sample 15 is illuminated with the light of an optical injector 11 with a photon energy greater than the width of the forbidden band, non-equilibrium current carriers are formed in it. At the same time, the sample is illuminated by the long-wavelength light of the optical probe 8 with a photon energy smaller than the band gap of the semiconductor. This long wavelength light is partially absorbed by non-equilibrium current carriers. The intensity of the optical probe 8 transmitted through the sample 15 long-wave light depends on the concentration of non-equilibrium current carriers created by the optical injector 11. Since the concentration of non-equilibrium current carriers depends on their lifetime, it is possible to determine the lifetime of non-equilibrium current carriers passing through the sample .

Поскольку относительное изменение интенсивности зондирующего излучени , вызванное генерацией неравновесных носителей в образце, составл ет величину пор дка - , то ее регистраци представл ет определенные сложности.Since the relative change in the intensity of the probing radiation caused by the generation of nonequilibrium carriers in a sample is of the order of magnitude, its registration presents certain difficulties.

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 направл ют их на фотодиоды 16 и 17, включенные последовательно с источником 18 питани . На фотодиоды 16 и 17 подают обратное смещение, равное 20 В.Using a helium-neon laser that generates radiation at a wavelength of Lz 1.15 µm (silicon has sufficient transparency at this wavelength), beam splitters and mirrors form light fluxes and direct them to photodiodes 16 and 17 connected in series with the source 18 food. On the photodiodes 16 and 17 serves a reverse bias of 20 V.

Сигнал регистрируют на фотодиоде 17, включенном в опорный канал при помощи регистрирующего прибора 19 (осциллсмра- фа), Образец 15 (кремниева плоскопарэдThe signal is recorded on a photodiode 17 included in the reference channel with the aid of a recording device 19 (oscillator), Sample 15 (silicon wafer

лельна 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+, 0,63A cutting plate of thickness I 400 µm and diameter d 50 mm is placed in the path of one of the light fluxes. As the optical injector 11, a second laser is used, generating radiation on A +, 0.63

мкм. Излучение инжектора модулируют на частоте f 100 кГц (исход из ожидаемого эффективнс о времени жизни неравновесных носителей) при помощи модул тора 13 и зеркалом 12 направл ют его на исследуемый образец 15 параллельно зондирующему лучу. Исследуемый образец 15 помещают в фокальную плоскость объектива 14, обеспечива тем самым совмещение зондирующего и инжектирующего световых потоков вum The radiation of the injector is modulated at a frequency of 100 kHz (based on the expected efficiencies of the nonequilibrium carrier lifetimes) using a modulator 13 and a mirror 12 directing it to the sample under study 15 parallel to the probe beam. The sample 15 is placed in the focal plane of the lens 14, thereby providing a combination of probing and injecting light fluxes in

образце. Излучение оптического инжектора 11 мощностью Р, равной 10 мВт, было сфокусировано на исследуемом образце 15 в п тно диаметром d 0,2 мм.sample The radiation of the optical injector 11 with the power P equal to 10 mW was focused on the test sample 15 in a spot with a diameter of d 0.2 mm.

При сравнительных испытани х модул ци лазера-зонда, возникающа при освещении полупроводникового образца 15 инжектором 11, измер лась как с использованием предлагаемого технического решени , так и с использованием его прототипа.In comparative tests of the modulation of the laser probe, which occurs when the semiconductor sample 15 is illuminated by the injector 11, was measured using both the proposed technical solution and its prototype.

При этом оказалось, что в первом случае отношение полезного сигнала к уровню шума равн лось примерно 8, в то врем , как при использовании прототипа полезный модул ционный сигнал на фоно шумового сигнала зарегистрировать не удалосьIt turned out that in the first case, the ratio of the useful signal to the noise level was about 8, while using the prototype, it was not possible to register the useful modulation signal on the phono-noise signal

Claims

A photometer for detecting a change in optical loss in a modulating medium under investigation, including a radiation source and an optically coupled photodiode with a power source, a load resistance and a recording device connected to it, characterized by

in order to increase sensitivity and increase the signal-to-noise ratio. In addition, a splitter with an adjustable division factor is placed between the radiation source.

and a photodiode, as the load resistance, a second photodiode is used, located along the beam reflected from the beam splitter, both photodiodes are connected in series with the power source, and

The recording device is connected to one of the photodiodes.

iqj + AL

,ten

M

R

T5

13

Figz

eleven