5.4.3 Методы измерения формы импульсов излучения и энергии излучения в импульсе.
5.4.3.1. Преобразование сигнала.
Как показано на рис.4 в составе экспериментальной установки есть фотоприемник и осциллограф. В своей работе я использую фотоэлектрический метод измерения формы импульса излучения.
К фотоэлектрическим методам измерения оптической энергии и мощности относятся все методы, основанные на применении приемников излучения, в которых поглощение фотона сопровождается электрически регистрируемым процессом, например испусканием электрона или образованием электронно-дырочной пары. Такие приемники можно назвать счетчиками квантов в том смысле, что взаимодействие связано с одиночным фотоном энергии излучения и выходной сигнал пропорционален не средней мощности, а числу фотонов (при постоянном квантовом выходе).
В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной оптико-электронной промышленности для приема импульсов СО2-лазера применяются фотодиоды на основе твердого раствора CdxHg1-xTe (кадмий ртуть - теллуровые).
Такие фотоприемники можно уверенно применять в дальномерных каналах с длительностями импульсов СО2-лазера 5—100 нс как вполне альтернативные фотодиодам.
Фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe содержит диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя CdxHg1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя CdxHg1-хТе, где х=0,3±0,05, верхнего варизонного слоя CdxHg1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки, и просветляющего покрытия.
Рис.8. Структура фоторезистора
Структура фоторезистора схематически показана на рис.8, где на диэлектрической подложке 1 расположены дорожки контактного растра 2, токоподводы 3, сварные контакты 4. Подложка контактного растра чувствительного элемента 6, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, закреплена на диэлектрической подложке 1 с помощью слоя криостойкого клея 5. Сварной контакт 7 выполнен на слое металлического контакта 10 из Jn или Аu, или Мо, или NiAu. Структура чувствительного элемента представляет собой структуру последовательно расположенных на подложке слоев - буферного слоя 8 из CdTe и ZnTe или CdZnTe, нижнего варизонного слоя 9, рабочего слоя 11 постоянного состава, верхнего варизонного слоя 12, широкозонного слоя 13 постоянного состава CdxHg1-xTe, где х=0,6-1, и слоя просветляющего защитного покрытия 14.
Принцип работы такого фоторезистора заключается в следующем. Поток излучения через просветляющее покрытие проходит через широкозонный слой постоянного состава, затем через верхний варизонный слой, рабочий слой, нижний варизонный слой и буферный слой на подложку. При поглощении падающего на фоточувствительную структуру регистрируемого излучения происходит генерация неосновных носителей, которые обуславливают возникновение напряжения сигнала. При этом чувствительность фоторезистора зависит от времени жизни носителей и скорости их рекомбинации. Использование слоев конкретных составов в определенной последовательности обеспечивает максимальную вольтовую чувствительность. Наличие варизонных слоев с определенным градиентом состава не только устраняет поверхностную рекомбинацию, но также расширяет спектральную область чувствительности, что приводит к повышению интегральной обнаружительной способности фоторезистора. Увеличение вольтовой чувствительности обеспечивается также возможностью уменьшения толщин конкретных слоев гетероэпитаксиальной структуры и, как следствие, толщины самой структуры, что является актуальным в связи c миниатюризацией элементов приборов. Суммарный эффект от наличия варизонных слоев и определенного состава рабочего слоя и градиента концентрации варизонных слоев приводит к столь значительному, в 20-50 раз, повышению вольтовой чувствительности, что позволяет в 10-20 раз снизить ток смещения одного элемента фоторезистора.
Спектральные характеристики фоторезисторов из CdxHg1-xTe меняются при изменении состава x и рабочей температуры. Следовательно, подбором состава материала можно получить фоторезистор, работающий при температуре 200 К (при охлаждении фоточувствительного элемента термоэлектрическим охлаждением, в нашем случае используется охлаждение жидким азотом, следовательно фоторезистор работает при температуре жидкого азота 77 К) или при комнатной температуре. Собственная инерционность фоторезисторов составляет ~ 10-8 с, что позволяет использовать их для регистрации коротких световых импульсов. Пороговая чувствительность фоторезисторов при этом определяется тепловыми шумами фоточувствительного элемента. Поскольку тепловые шумы имеют “белый” спектр, чувствительность фоточувствительного элемента в этом случае определяется полосой пропускания предварительного усилителя. Для получения максимума спектральной чувствительности при l=10,6 мкм при работе фоторезистора с температурой 300 К был использован материал с x = 0,16 — 0,17. При этом собственная инерционность фоторезисторов составляла менее 10-9 с, что делает такие фотоприемники особенно перспективными при исследовании временных характеристик лазерного излучения.
Рассмотрим еще одну группу фотоэлементов, которыми можем воспользоваться для проведения нашего эксперимента. Это p – i – n фододиоды.
Эти фотодиоды созданы для расширения частотного диапазона фотодиода без снижения его чувствительности. Напомним, что в этих диодах между P- и N- областями находиться область собственной проводимости i. Так как область i создается достаточно широкой, то уменьшаются барьерная емкость PN-перехода и время заряда этой емкости. Кроме того, если в обычных фотодиодах происходит перемещение носителей заряда к границе PN- областей в результате диффузии, то в PIN-фотодиодах основная генерация возникает в i-области, в которой сопротивление в 106-107 раз больше, чем в P- и N- областях, и поэтому обратное напряжение создает сильное электрическое поле в этой области. При этом в области i возникает большая напряженность электрического поля Е, скорость перемещения зарядов увеличивается, а время пролета носителей заряда соответственно уменьшится.
Следовательно в PIN-фотодиоде перемещение носителей заряда к границе PN-областей происходит за счет дрейфа в сильном электрическом поле. Таким образом, в PIN-фотодиоде барьерная емкость и время пролета носителей заряда меньше, чем в обычном фотодиоде.
Для кремниевых PIN-фотодиодов частота управления достигает 1 ГГц.
Для нашего эксперимента мы можем использовать любой из двух вышерассмотренных фотоприемника.