Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного излучения

Микрюков, Алексей Сергеевич

Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Микрюков, Алексей Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного излучения»

Автореферат диссертации на тему "Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного излучения"

На правах рукописи

к/Али*. -

Микрюков Алексей Сергеевич

Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного

излучения

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 МАР 2013

005051126

Москва - 2013

005051126

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии *Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП <гВНИИОФИ»).

Научный руководитель: ^ доктор технических наук,

Либерман Анатолий Абрамович Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ФГУП «ВНИИОФИ», начальник НИО, Саприцкий Виктор Ильич

доктор технических наук, заместитель директора ВНИИФТРИ им. Д. И. Менделеева, Щипунов Андрей Николаевич Ведущая организация: ОАО «Научно-производственная корпора-

ция «Системы прецизионного приборостроения»

Защита состоится 10 апреля 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений, расположенном по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИОФИ». Автореферат разослан &-3 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук .

Вишняков Г. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Стремительное развитие лазерной техники и состояние отечественной лазерной отрасли требует создания в стране специализированных центров, обеспечивающих сертификацию лазерной продукции и связанных с ней технических систем. В подавляющем большинстве промышленно развитых стран созданы центры, обеспечивающие сертификацию в широком диапазоне мощностей (энергий) излучения от десятков Вт до Ю-9 Вт. Обычно такие центры имеют в своем распоряжении калориметрический эталон для измерения лазерных потоков в диапазоне Ю-3 -т-10 Вт с точностью ~ 0,1% и криогенный радиометр, обеспечивающий измерения в диапазоне 10-9Ч-10-3Вт с точностью ~ 0,005%. Во многих лабораториях вместо криогенного радиометра используют калиброванный с его помощью полупроводниковый трап-детектор, обеспечивающий точность измерений ~ 0,02%.

Таким образом, описанная выше пара измерителей получает единицу мощности лазерного излучения через промежуточный физический процесс —процесс нагревания термостата.

На своем 94-ом заседании в октябре 2005 года Международный комитет мер и весов (МКМВ) принял рекомендацию о подготовительных мерах по переопределению основных физических единиц таким образом, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным значениям фундаментальных констант. Изменения в системе СИ призваны сделать систему независимой от вещественных эталонов, логичной и последовательной. СИ будет основана только на фундаментальных физических постоянных (ФФП).

Духу нововведений в системе СИ, связанных с переопределением основных физических констант, в наибольшей степени отвечает процесс прямого преобразования фотон —> электрон + дырка в фотоприемниках. Фактически дело сво-

дится к измерениям тока фотодиода и частоты лазерного излучения, что можно измерять с очень высокой точностью. Центральным вопросом здесь является определение квантовой эффективности указанного преобразования. Именно поэтому очень важно уметь калибровать фотодиоды независимо от тепловых приемников.

Такая же проблема имеет место и в области мощностей лазерного излучения < Ю-9 Вт. Здесь обычно применяют чувствительные фотодиоды, которые работают в режиме счета фотонов. Часто этот термин воспринимают в узком смысле, а именно, в смысле регистрации отдельных фотонов. В то же время регистрация тока фотодиода, т.е. потока свободных носителей, возникающих в фотодиоде под действием лазерного излучения, с учетом поправки на квантовый выход представляет собой тот же самый счет фотонов. Следует отметить, что в последнее время фотоприемники представляют большой интерес и в узком смысле счета отдельных фотонов. В частности, это связано с началом выпуска лазеров на квантовых точках, ямах и проволоках, которые могут генерировать чуть ли не единичные фотоны. В таком же режиме работают приемники отраженного лазерного излучения, используемые в лазерной локации, высокоточном оружии и т.д.

В лазерной космической локации, в частности, для спутниковых лазерных дальномеров используется одноэлектронный режим, который обеспечивает получение более точной координатной информации. Использование фотоприемников в одноэлектронном режиме подразумевает его работу с предельно малыми уровнями оптического излучения, результат существенно зависит и от свойств фотоприемников в режиме счета фотонов. В связи с этим возникает необходимость в средствах и методах измерений квантовой эффективности фотоприемников, которая представляет собой основной параметр приемника в этом режиме.

Создание высокоточных методов и средств измерений малых уровней ла-

зерного излучения является серьезной научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.

Цель и основные задачи диссертации

Необходимость решения этой проблемы определила цель настоящей работы: создание высокоточных методов и средств для измерений малых уровней мощности лазерного излучения в динамическом (1СГ9-т-10~3)Вт и спектральном (0,4-т-1,1)мкм диапазонах с погрешностью не более 0,1%, отвечающих процессу преобразования: фотон —> электрон + дырка.

Цель работы определила основные научно-технические задачи, решение которых позволило бы ее реализовать. К этим задачам относятся:

• анализ различных методов и средств измерений, предназначенных для измерений малых уровней мощности лазерного излучения и счета фотонов, оценка их точностных характеристик;

• разработка метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик;

• экспериментальное измерение вольт-амперных характеристик отдельных фотодиодов и определение по ним их внутренней квантовой эффективности;

• анализ потерь излучения в трап-детекторе на его стенках и оценка влияния диффузно рассеянного лазерного излучения на точность определения его внутренней квантовой эффективности;

• проведение экспериментальных исследований, подтверждающих точность определения внутренней квантовой эффективности с помощью предложенного метода;

• исследование факторов влияющих на точность определения внутренней квантовой эффективности фотодиода: погрешности определения вольт-амперных характеристик, профиля легирования, толщин р — п — п+слоев фотодиода.

Научная новизна работы

В работе впервые:

• предложено определять внутреннюю квантовую эффективность фотодиодов путем сравнения их экспериментально измеренных вольт-амперных характеристик с аналогичными зависимостями, рассчитаными с помощью теоретической одномерной модели фотодиода;

• с помощью модельных расчетов доказана однозначность определения параметров фотодиода, по его вольтамперным характеристикам;

• по измеренным вольт-амперным характеристикам отдельных фотодиодов в соответствии с предложенной теоретической моделью определены их внутренние квантовые эффективности;

• для конкретной конструкции трап-детектора предложена и программно реализована математическая модель расчета диффузных потерь падающего на него лазерного излучения;

• проведено сличение трап-детекторов, подтвердившее, что погрешность определения предложенным методом внутренней квантовой эффективности фотодиода Натап^эи 86337, составляющая 0,1%.

Практическая ценность и использование результатов работы

Предложенные в работе математическая модель определения внутренней квантовой эффективности и схема построения трап-детектора могут быть применены в широком спектре приложений, предъявляющих высокие требования к точности измерений низкого уровня мощности лазерного излучения вплоть до счета фотонов.

Измерительный преобразователь на основе использования разработанного трап-детектора был применен при проведении передачи размера единицы мощности (квантовой эффективности) от ГПЭ СМ счетчикам фотонов.

Положения выносимые на защиту .

1. Для кремниевого р+п фотодиода по его вольт-амперным характеристикам, построенным с помощью одномерной математической модели, решение обратной задачи позволяет определить основные параметры фотодиода и, в частности, его квантовую эффективность.

2. Использование исследуемого фотодиода в качестве датчика температуры для стабилизации его теплового режима и специальный выбор реперной точки на шкале температур позволяет измерить его вольт-амперную характеристику со средним квадратическим отклонением, не превышающим 0,03%.

3. Предложенная модель расчета потерь попадающего в трап-детектор излучения: учет количества актов диффузного рассеяния излучения и числа его отражений, позволяет рассчитать потери излучения с погрешностью не хуже 0,007%.

4. Проведённый метрологический анализ предложенного метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик позволяет утверждать, что погрешность определения этого параметра не превышает 0,1%.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиода при помощи его вольт-амперных характеристик // 1-я научная конференция, посвященная 100-летию Б.М. Степанова / ВНИИОФИ. 2010.

2. Mikryukov A., Kovalev A., Liberman A., Moskaluk S. Determination of internal quantum efficiency of a photodetector through its voltage-current characteristics // SPIE OPTO / International Society for Optics and Photonics. 2011. P. 79331S-79331S.

3. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Вычисление внутренней квантовой эффективности фотодиода по его экспериментально измеренным вольт-амперным характеристикам // Девятая Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации». Пос. Поведни-ки Московской обл.: 2012.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [1-5], 2 статьи в сборниках трудов конференций [6, 7] и 1 заявка на выдачу патента [8].

Вклад автора

Основные результаты работы получены автором лично и в соавторстве при его непосредственном участии. Лично автором: разработан способ термостабилизации фотодиода в котором в качестве датчика температуры используется сам исследуемый фотодиод; создана модель и проведён расчёт диффузных потерь рассеянного в трап-детекторе излучения при его поглощении; проведены эксперименты и обработаны результаты; проведён метрологический анализ метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 179 страниц печатного текста, в том числе 48 рисунков и 7 таблиц, а также 18 страниц списка литературы и 2 страницы приложения.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана

практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлен обзор современного состояния развития методов и средств измерения малых уровней мощности. Показано, что для переопределения ватта необходимо создание приёмников, осуществляющих преобразование фотон —> электрон + дырка.

Влияние неизвестной внешней квантовой эффективности фотодиодов возможно свести к минимуму за счёт построения фотодиодов по схеме трап-детектора. В настоящее время трап-детекторы поверяются с помощью криогенного радиометра. Такой метод позволяет добиться точности измерения мощности лазерного излучения 0,02%.

Развитие численного моделирования привело к созданию программ для расчёта полупроводников, таких как РСШ. При известной структуре фотодиода она позволяет рассчитать его внутреннюю квантовую эффективность. Однако производители фотодиодов не сообщают необходимые для расчетов технологические параметры, а их измерение представляет собой очень трудоемкую задачу.

Одно из перспективных направлений численного моделирования заключается в предварительном расчёте структуры кремниевых фотодиодов, что позволяет создавать фотодиоды с предсказуемой квантовой эффективностью. Авторы данного метода утверждают, что в перспективе для фотодиода с предсказуемой квантовой эффективностью возможно достижение погрешности измерения мощности лазерного излучения ~ 10~4%.

Таким образом, наиболее перспективным способом является способ измерения тока и дальнейшего расчёта мощности с использованием внутренней квантовой эффективности фотодиодов. Практически, такой способ измерения является единственным, позволяющим осуществить независимую связь единицы ватт с фундаментальными физическими постоянными.

Во второй главе рассматривается предложенный в работе способ определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик (ВАХ). Задача решена для случая идеализированных ВАХ. С помощью наложения шумов на эти кривые рассмотрено влияние погрешности измерений на точность решения задачи.

Один из способов независимой аттестации полупроводниковых фотодиодов—теоретический расчёт их внутренней квантовой эффективности, основанный на использовании его известных экспериментально измеренных физических характеристиках.

В главе впервые предложен метод определения внутренней квантовой эффективности и некоторых характеристик оптически толстого р+пп+ фотодиода (параметры которого приведены в таблице 1). Решение задачи заключается в нахождении теоретических кривых, наиболее приближенных к «экспериментальным». Последние вычислялись с использованием программы РСШ. Использовались 2-е «экспериментальные» кривые, полученные при воздействии на фотодиод разных мощностей лазерного излучения. Отношение мощностей лазерного излучения (величина г/) считалось известным. Значения параметров, заложенные в эти расчетные кривые, и будут представлять искомые решения. В качестве численной меры близости кривых использовалась величина относительного среднеквадратического отклонения (СКО) теоретической ВАХ от «экспериментальной».

Для нахождения локальных минимумов СКО была создана программа на основе алгоритма покоординатного спуска совместно с методом Монте-Карло.

На первом шаге алгоритма минимальное значение СКО достигается при п = п0~ 5,00000635 х 1012 см-3, т.е. искомая величина п с высокой точностью определяется уже на первом шаге предложенного алгоритма.

Следующим шагом является построение для локальных минимумов зависимостей СКО в ^-пространстве при фиксированных значениях пар параметров

Таблица 1. Номинальные характеристики фронтальной области фотодиода с высокой квантовой эффективностью

Характеристики фотодиода Значение

основа кремний

толщина, /г 300 мкм

объемная плотность легирования, тг 5 х 1012 см-3 атомов Р

поверхностная концентрация легирующей примеси, N (р+) 5 х 1018 см-3 атомов В

форма профиля диффузии с поверхности дополнительная функция ошибок

характерный масштаб глубины поверхностной диффузии, Ь 0,055 мкм

активная площадь, О 1см2

скорость поверхностной рекомбинации носителей, 5 1,4 х 104 см/с

п = п0 и L = const (L = 0,053... 0,058 мкм). Положения минимумов этих зависимостей были определены с точностью 0,04%.

На последнем этапе для разных пар параметров щ и L рассчитывались зависимости СКО от переменной q, в результате чего получается один ярко выраженный минимум. Положение этого минимума меняется при изменении величины характерного масштаба L (рис. 1).

Полученная величина q совместно со значением тока насыщения JHac позволяют вычислить внутреннюю квантовую эффективность фотодиода IQE:

/QS = —-^Г, (1)

е qD А 4 '

где е —заряд электрона; с —скорость света в вакууме, h — постоянная Планка. Очевидно, что поскольку величина JHac может быть измерена с точностью

рмэ,'

0,0000040

0,0000030

/ 1 = 0,0 545 мкк

• • . 1 • г 1. = 0, с 550 мга 1 • 1 ; ■

«: •• \ 1 = 0,0Е 54 мкм 1 ч

1 « ; ч. /

; < •. / 1. = 0,0 560 мкм

0,0009998 0,0010000 0,0010002 0,0010004

р, Вт/смг

Рис. 1. Зависимости СКО локальных минимумов от переменной д при фиксированных парах значений параметров щ и Ь

~ 10~4%, то главный источник погрешности — д.

Решенная задача не учитывает систематических и случайных погрешностей, а так же форму профиля легирования рп перехода.

Для учёта этих явлений было проведено численное моделирование реального эксперимента. Численная модель эксперимента была получена путём наложения шумов реальных приборов на идеальную ВАХ, рассчитанную с помощью программы РСШ.

Абсолютная погрешность измерения напряжения оу (1^) определялась как функция, полученная из описания и сертификата калибровки реального прибора, а погрешность измерения тока определялась как:

/ 2

= уСТу + ( СГу

\ дУ

(2)

где сгу = ^(?у (У2) + Из формулы (2) следует, что погрешность неравномерна вдоль ВАХ. Этот недостаток может быть устранён, путем осуществ-

ления экспоненциального усреднения, которое позволяет выровнять амплитуду шумов вдоль ВАХ.

Предложенный процесс измерения ВАХ с использованием экспоненциального усреднения позволяет получить равномерные относительно шумов экспериментальные кривые. При их обработке предложенным методом погрешности определения мощности поглощенного фотодиодом излучения д существенно уменьшаются.

Для поиска минимума СКО при наложении двух ВАХ в созданной программе использовался алгоритм локального поиска на основе видоизмененного метода Левенберга.

Результаты проведенных исследований показали, что с увеличением характерного масштаба Ь0 возрастают как систематические, так и случайные погрешности определения величины ц. Так, при увеличении величины Ьо от 0,055 мкм до 0,2 мкм систематические и случайные погрешности возрастают от 0,001% и 0,009% до 0,02% и 0,06% соответственно.

При Ьо = 0,055мкм форма профиля слабо влияет на погрешность определения величины q. С увеличением значений параметра Ь0 погрешность Д<7 увеличивается, причем для некоторых форм профиля эта погрешность оказывается намного больше статистических погрешностей, обусловленных неточностью измерений. При этом растет и СКО, обусловленная расхождением теоретических и экспериментальных кривых. Однако из-за шумов уверенный выбор между профилями в виде гаусса, прямоугольного и экспоненциального можно сделать лишь при Ьо = 0,2 мкм, когда уже достаточно большими являются статистические погрешности, связанные с неточностью измерений.

В третьей главе рассматривается определение внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его экспериментальных вольт-амперных характеристик.

Основная задача экспериментальных исследований состояла в измерении

трёх различных ВАХ: темновой характеристики при отсутствии излучения и двух других характеристик при различных уровнях мощности излучения.

Для оценки точности измерений, были исследованы шумы каждого элемента схемы в отдельности. СКО, полученное в результате этих измерений не превысило 6,6 мкВ, что составляет ~ 0,001% от измеряемого сигнала. Измеренная стабильность лазера составила менее 0,01%. Полученные значения удовлетворяют расчетным условиям.

Исследования показали, что для корректного измерения ВАХ необходима термостабилизация фотодиода, которая была реализована с помощью элемента Пельтье, управляемого программным пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором.

Однако внешний температурный контроль для наших целей оказался недостаточным, поскольку исследовался фотодиод, имеющий керамический корпус. Поэтому была реализована «тонкая» термостабилизация которая заключается в использовании самого фотодиода в качестве датчика температуры. Для каждой ВАХ выбиралась реперная точка с известным значением тока и напряжения на фотодиоде, обычно вблизи максимальных значений тока, чтобы его случайные флуктуации не сказывались на результате. Калибровка тока в реперной точке выполнялась после 30 минутного установления температурного режима. Отклонения тока от калиброванного значения характеризуют относительные отклонения температуры в системе фотодиод — термостат. «Тонкая» термостабилизация включалась лишь в промежутках между измерениями различных точек ВАХ.

Процедура измерений ВАХ в условиях «тонкой» термостабилизации выполнялась 2-3 раза для каждого фотодиода. Измеренные кривые накладывались друг на друга для подтверждения повторяемости результатов, после чего усреднялись и преобразовывались в одну для дальнейшей обработки. Для каждого фотодиода измерялись три ВАХ: под воздействием излучений мощностью

PQ = 1,673 ± 0,002 мВт и Pi = P0 ■ г), где 77 = 0,2482 ± 0,0002, и при отсутствии излучения.

Использование данной методики позволило измерить вольт-амперную характеристику фотодиода с СКО, не превышающей 0,03%. При использовании обычной системы термостабилизации величина СКО может достигать ~ 10%.

В работе исследовался фотодиод Hamamatsu S6337 с рабочей площадкой 18 х 18мм. Его модельная схема показана на рис. 2. Согласно предлагаемой схеме дополнительно к 5-и упомянутым уже параметрам (табл. 1) для него необходимо ввести еще скорость рекомбинации на задней стенке — £з, дополнительное сопротивление контактов — RK, а так же толщину фотодиода — Я.

Р - тип

л - тип

Рис. 2. Схема модели исследуемого фотодиода.

Таким образом, даже в простейшем случае мы имеем 8 неизвестных параметров (с учетом параметра 77 — 9).

Для оценки влияния каждого параметра на с помощью программы

РСШ рассчитывалась амплитуда изменения при варьировании каждого параметра (табл. 1) в максимально допустимых для него пределах. Характерная глубина легирования Ь полупроводника является, наиболее значимой для определения внутренней квантовой эффективности. Следующие по значимости параметры — 5, N и п. Значения остальных параметров несущественны, поскольку величины их влияния на величину квантовой эффективности составляют менее 0,005%. Однако остальные параметры также важны, поскольку определяют СКО отклонения теоретической кривой от экспериментальной.

С целью сокращения числа неизвестных параметров в лаборатории М-1 ВНИИОФИ с помощью измерительной и технологической установки — сканирующего электронного микроскопа, комбинированного с фокусированным ионным пучком (СЭМ-ФИП) МУшюп 40, были проведены исследования поперечного среза фотодиодов Натата18и Э6337. Пример снимка среза фотодиода Б6337 под электронным микроскопом показан на рис. 3. Из этих измерений была получена характерная глубина профиля легирования Ь фотодиода и общая толщина фотодиода Н.

Рис. 3. Срез фотодиода Натап^эи 86337 под электронным микроскопом.

Значения мощности падающего излучения д и коэффициента ослабления т] определялись из условия прохождения ВАХ через реперные точки, т.е. точки пересечения ВАХ с осью ординат (У = 0).

Таким образом, остаются неизвестными 5 параметров: тг, 5, 5з, Як-Для их определения использовался модифицированный метод Левенберга, описанный в главе 2. Переменная N фиксировалась в ряде точек. В каждой точке рассчитывалось несколько десятков ВАХ, каждая из которых имела свой набор параметров фотодиода (п, 5, 5з и Як)- Вследствие нелинейности задачи для полученных ВАХ имеют место локальные минимумы по СКО. Набор параметров для кривой с минимальным полученным значением СКО и принимался за решение.

лСКО(ЮЕ), %

0,00040

СКО .„, %

ГП1П

0,670

0,995:

0,996

0,997

0,998

0,999

ЮЕ

Рис. 4. Зависимости величины СКО, рассчитанных по пяти парам и одной темновой экспериментальным ВАХ, от величины внутренней квантовой эффективности.

На рис. 4 показаны результаты расчётов, полученные для пяти различных измерений ВАХ фотодиода Натап^зи Б6337 и для темновой ВАХ этого же фо-

тодиода. На правой вертикальной шкале показаны значения СКО в минимумах полученных зависимостей. Левая вертикальная шкала показывает относительную величину СКО каждой кривой на всём диапазоне её изменения.

Разброс СКОтт для различных кривых составляет 0,03%, что соответствует статистической погрешности измерений вольт-амперной характеристики. Как видно, основное влияние этой погрешности на результаты расчётов заключается в прибавлении постоянной величины к величине СКО, что не приводит к искажению положения минимума решения. Положения минимумов на различных кривых по величине К^Е совпадают с достаточно высокой точностью. Среднее значение ЩЕ по минимумам составило 0,99817 ± 0,00006.

Средние значение СКОтгП = 0,83% для всех пяти кривых представляет собой систематическую составляющую СКО, возникающую из-за неидеальности модели. Влияние различных ее составляющих будет проанализировано в главе 5.

Аналогичные расчёты были проведены для фотодиода Натап^эи 81336. Главное отличие при моделировании этого фотодиода —необходимость использования трёхслойной модели фотодиода, т.е. легирование его задней стенки. Для данного фотодиода минимальная СКО составила 0,22%. Были получены результаты, аналогичные приведенным выше. При этом, в некоторых случаях возникают ложные локальные минимумы СКО, которые не вызывают сложностей, поскольку легко отличимы от истинных как по величине СКО, так и по их повторяемости.

В четвёртой главе представлено экспериментальное определение внутренней квантовой эффективности фотодиодов Натап^эи 86337, входящих в состав изготовленного в процессе работы трап-детектора, путём сличения с трап-детектором НН-03-1337, получившим единицу средней мощности лазерного излучения от криогенного радиометра в РТВ. Однако для преобразования полученной величины в величину внутренней квантовой эффективности фото-

диодов, входящих в состав изготовленного трап-детектора, необходимо учитывать оптические потери, происходящие в трап-детекторе. Потери происходят из-за диффузного рассеяния излучения от поверхности фотодиодов, а так же из-за отражения части излучения за пределы трап-детектора. Последний эффект составляет 0,002% от падающего излучения и в связи с его малостью не рассматривался.

Измерения на изготовленном трап-детекторе проводились при уровне мощности ~ 1мВт для обеспечения максимальной точности измерений. Линейность была подтверждена экспериментально в диапазоне 4 нВт 4- 6 мВт.

Был проведен анализ потерь, которые имеют место в трап-детекторе в результате поглощения части диффузно рассеянного лазерного излучения на его стенках. Для этого была измерена индикатриса рассеяния излучения на фотодиоде НататаЬэи 86337 (рис. 5).

Рис. 5. Индикатриса рассеяния лазерного излучения при угле падения 45° на фотодиод 86337, стрелками указано направление распространения пучка.

Для вычисления диффузных потерь в трап-детекторе его модельная схема была представлена в виде развёртки вдоль оси распространения излучения (рис. 6). При этом полагается, что все фотодиоды расположены перпендикулярно оптической оси и находятся на расстоянии I друг от друга, а их наклон учи-

Рис. 6. Схема распространения излучения в «развёрнутом» трап-детекторе; а) диффузное рассеяние излучения от каждого из фотодиодов; б) диффузное рассеяние излучение с учетом его отражений от первого из фотодиодов; штриховкой показаны области углов в которых происходит поглощения излучения; р1-р6 —фотодиоды.

тывается как зависимость коэффициента отражения от координаты рассматриваемой точки.

На рис. 6 в углах и верхний индекс означает максимальное | или минимальное 4- значения угла распространения поглощаемого диффузного излучения, рис. 6а; индекс г — номер диффузно рассеивающего фотодиода; индекс ] — номер зоны поглощения, отсчитываемый от рассеивающего фотодиода. Зо на поглощения — область разности углов = — дц (рис. 66).

Потери, связанные с диффузным рассеянием излучения были получены путём суммирования интегралов от индикатрис рассеяния по интервалам При этом, величина В при з = I соответствует поглощению диффузно рассеянного излучения по схеме, приведенной на рис. 6а, а сумма по ] > 1 —

поглощению зеркально отраженного диффузно рассеянного излучения внутри трап-детектора, рис. 66.

Суммирование производится только по промежуткам между фотодиодами j, оставшимся после рассеивающего фотодиода до конца пути в трап-детекторе.

6 7—г 27Г^

К^{в,(р)1(в)8\а{в)Ш1р, (3)

¿=1 7=1

"м

где <р — азимутальный угол, а в — зенитный угол в сферической системе координат, где угол в отсчитывается от направления распространения излучения, ^¿// — коэффициент, характеризующий долю диффузно рассеянного излучения при угле падения 45°, — коэффициент, характеризующий френе-левские потери при отражении излучения от поверхности фотодиодов, который можно представить в виде:

ф) = (<р)МОЕРВ{§] , ё>) . (4)

Здесь ф) —матрица Мюллера, характеризующая френелевское отраже-

ние диффузно рассеянного излучения; В{ — матрица Мюллера, характеризующая френелевское отражение зеркально отраженного излучения; Мвер~ матрица деполяризации, возникающей при диффузном рассеянии излучения; 5 — вектор Стокса для излучения, падающего в трап-детектор; е/ — единичный вектор Стокса, в результате скалярного произведения с которым получается интенсивность излучения.

Результаты расчётов показаны на рис. 7. Кривая 1 соответствует расчету зависимости величины диффузных потерь Б = Б{г) от числа фотодиодов, на которых учитывается диффузное рассеяние излучения и его отражения. При этом число возможных отражений растет с увеличением номера г. Как видно из поведения кривой 1, после учета диффузных потерь на 4-х первых фотодио-

дах, дополнительное приращение потерь излучения становится менее 10 2% от мощности падающего на трап-детектор излучения.

д %

0,1625 ■-

0Д500 •-

0.1375 ■-

0,1250 ■-

0,1125 •-

0Д000--

0,0875 ■ -

1 2 3 4 5 6 .■:,

Рис. 7. Зависимость величины диффузных потерь И от числа фотодиодов г, на которых учитывается диффузное рассеяние излучения и его отражения в трап-детекторе; 1 — расчет -О(г) по формуле (3); 2 —расчет И(г) при ] = 1; 3 — зависимость £>(.;') при г = 6

Наиболее громоздким и существенно усложняющим задачу является учет отражений диффузно рассеянного излучения внутри трап-детектора. Для оценки влияния этого эффекта на величину диффузных потерь были проделаны специальные расчеты, при проведении которых отражения рассеянного излучения не учитывались. Результаты расчетов приведены на рис. 7 (кривая 2). Из приведенного результата видно, что кривая 2 при больших значениях г лежит на 10% ниже кривой 1. Это говорит о необходимости учёта зеркально отраженого диффузно рассеянного излучения.

Для оценки числа отражений диффузно рассеянного излучения, необходимых для корректного расчёта величины поглощения, была построена зави-

симость величины диффузных потерь И = от количества учитываемых отражений {] — 1) диффузно рассеянного излучения, представленная кривой 3 на рис. 7. Построенная зависимость говорит о необходимости учёта как минимум двух зеркальных отражений диффузно рассеянного излучения. Всеми дальнейшими отражениями можно пренебречь.

В реальности освещенная диффузным излучением область фотодиода не является центрально симметричной, а имеет более сложную форму. Расчет показал, что при учете реальной геометрии фотодиодов эти потери в относительном выражении увеличиваются на ~ 4%. Очевидно, это значение и следует принять в качестве оценки погрешности использованного метода.

Потери, связанные с диффузным рассеянием от одного фотодиода не зависят от поляризации падающего излучения. Однако при зеркальном переотражении излучения от совокупности фотодиодов в трап-детекторе ситуация с поляризацией излучения меняется, что приводит к зависимости диффузных потерь от поляризации падающего излучения. Так, для излучения с вертикальной линейной поляризацией диффузные потери в трап-детекторе на фотодиодах Натап^и Б6337 составляют 0,179% от мощности падающего излучения, а для излучения с горизонтальной линейной поляризацией —0,159%. Полученный результат говорит о том, что для точных измерений с помощью рассматриваемого трап-детектора необходимо дополнительно контролировать поляризацию падающего излучения.

В результате сличения исследуемого трап-детектора с трап-детектором НН-03-1337, оказалось, что внутренняя квантовая эффективность фотодиодов Натап^Би Б6337 исследуемого трап-детектора составляет 0,9971. В то время как в главе 3 было показано, что внутренняя квантовая эффективность этих фотодиодов, определённая с помощью ВАХ, составляет 0,9982. Таким образом, относительное отличие внутренней квантовой эффективности изготовленного трап-детектора, определённое с помощью трап-детектора НН-03-1337 и значе-

ние, полученное с помощью ВАХ составляет ~ 0,1%.

В пятой главе проведен анализ погрешностей определения внутренней квантовой эффективности фотодиода по его вольт-амперным характеристикам, сведены воедино оценки погрешностей, выполненные в разделах 2-4, а также рассмотрено влияние на погрешность определения величины 1С2Е ряда не учтенных ранее факторов.

Рассмотрены составляющие погрешности определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его ВАХ по методу, описанному в главе 3, представленные на рис. 8.

Рис. 8. Составляющие погрешности ЩЕ.

Так, погрешность определения складывается из погрешности измерения как самой ВАХ, так и толщин слоёв фотодиода Ь и Я, а так же из погрешности метода определения К^Е. Последняя возникает из-за неидеальности используемой модели фотодиода. Неидеальность модели может быть связана с

использованием недостаточно правильной формы профиля легирования фотодиода, одномерности модели РСШ, не учитывающей пространственную конфигурацию контактов фотодиода, и других факторов.

Суммарная погрешность определения внутренней квантовой эффективности фотодиода по его вольт-амперным характеристикам определяется выражением: _

= У Тщв + °ЩЕ,Н + + Д? ЮЕ + + , (5)

где (Тще — СКО измерения вольт-амперной характеристики фотодиода; <?ще,н — СКО результата расчёта ЩЕ в зависимости от общей толщины кристалла Н\ о СКО результата расчёта 1С)Е в зависимости от толщины слоя легирования Ь\ Д\ /¿¡е — СКО результата расчёта 1С^Е из-за существования неортогональной составляющей вольт-амперной характеристики; Д51— НСП результата расчёта ГС^Е в зависимости от глубины легирования р-п перехода; Дд2 — НСП результата расчёта ЩЕ в зависимости от профиля легирования;

В результате проведения анализа составляющих погрешности были получены их численные оценки, которые приведены в таблице 2.

Значение суммарной погрешности определения внутренней квантовой эффективности, рассчитанной по формуле (5) с учётом численных значений, приведенных в таблице 2, составляет £д = 0,095%. Полученная величина представляет собой погрешность определения К^Е по экспериментальным ВАХ. Она хорошо согласуется с оценкой, полученной в главе 4.

Помимо погрешности определения внутренней квантовой эффективности фотодиода по его вольт-амперным характеристикам так же определялась погрешность экспериментального определения внутренней квантовой эффективности, путем сличения 2-х трап-детекторов. Данная погрешность состоит из двух составляющих: погрешности сличения Ди и погрешности определения ве-

Таблица 2. Численные значения составляющих погрешности.

№, п/п Наименование составляющей Обозначение Численное значение, %

1 СКО измерения вольт-амперной характеристики фотодиода VIQE 0,01

2 СКО результата расчёта ЩЕ в зависимости от общей толщины кристалла Н &IQE,H 0,0008

3 СКО результата расчёта К^Е в зависимости от толщины слоя легирования Ь &IQE,L 0,08

4 СКО результата расчёта 1(^Е из-за существования неортогональной составляющей вольт-амперной характеристики; Al IQE 0,005

5 НСП результата расчёта ЩЕ в зависимости от глубины легирования р-п перехода Д<?1 0,0063

6 НСП результата расчёта ЩЕ в зависимости от профиля легирования Д<й 0,086

7 НСП результата расчёта К^Е, обусловленная наличием диффузно рассеянного излучения ÖR 0,028

8 СКО результата сличения трап-детекторов Дел 0,03

9 НСП сличения трап-детектора НН-03-1337 с криогенным радиометром . Дтд 0,02

личины диффузных потерь в трап-детекторе <5д:

£дсл = + + % (6)

где 5ц — НСП результата расчёта К^Е, обусловленная наличием диффузно рассеянного излучения; Дед — СКО результата сличения трап-детекторов;

Дтд —НСП сличения трап-детектора НН-03-1337 с криогенным радиометром.

Данная величина оказалась равной Ед^ = 0,033%.

Заключение

Настоящая диссертационная работа посвящена решению ряда задач, связанных с разработкой методов и средств высокоточных измерений малых уровней лазерного излучения. Решение этих задач актуально в связи с изменениями в системе СИ, в результате которых система будет основана только на фундаментальных физических постоянных. Существующие в настоящее время эталонные приемники излучения работают по схеме: излучение —>• тепло —»• —> электричество. Промежуточную стадию преобразования энергии излучения в тепловую энергию желательно исключить из процесса измерений, т.е. сразу измерять электрические величины. Существуют высокоточные методы измерения электрических величин и сами они выражаются через фундаментальные физические постоянные.

Одним из главных претендентов на реализацию рассмотренной схемы измерений являются высокоэффективные полупроводниковые фотодиоды. В настоящей диссертационной работе показано, что для ряда фотодиодов с высокой квантовой эффективностью возможно определение внутренней квантовой эффективности с помощью их вольт-амперных характеристик. Использование этих фотодиодов в составе трап-детекторов позволяет создавать средства измерения, аттестуемые независимо от существующих тепловых эталонов мощности лазерного излучения.

Основные результаты диссертационной работы кратко можно сформулировать следующим образом:

• выполнен анализ различных методов и средств измерений, предназначен-

ных для измерений малых уровней мощности лазерного излучения и счета фотонов;

разработан метод решения обратной задачи определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик с использованием одномерной математической модели фотодиода; исследовано влияние различных параметров модели фотодиода, таких как профиль легирования, толщины слоев и т.д., на точность определения его внутренней квантовой эффективности;

экспериментально установлено, что включение самого фотодиода в качестве датчика температуры в систему термостабилизации и выбор соответствующей реперной точки позволяет значительно улучшить точность измерения его вольт-амперных характеристик;

показано, что предложенный метод определения квантовой эффективности фотодиода по его вольт-амперным характеристикам для 2-х слойных и 3-х слойных фотодиодов работает даже при отклонениях теоретических кривых от экспериментальных с СКО ~ 1%.

изготовлен и экспериментально исследован 6-и элементный трап-детектор на фотодиодах Натата1зи 86337, позволяющий измерять мощности лазерного излучения в диапазоне 4 • Ю-9 -г- 6 • Ю-3 Вт. измерены индикатрисы диффузного рассеяния лазерного излучения с А = = 632,8 нм от рабочих поверхностей фотодиодов Натап^зи Б6337 при различных углах падения излучения, показано, что они не зависят от поляризации падающего излучения;

построена приближенная модель распространения диффузного излучения в исследуемом трап-детекторе, учитывающая реальную форму индикатрис рассеяния и геометрию трап-детектора;

проведен расчет потерь в трап-детекторе в результате поглощения части диффузно рассеянного лазерного излучения на его стенках; проанализиро-

вано влияние количества актов диффузного рассеяния излучения и числа его отражений на точность расчета диффузных потерь в трап-детекторе; • проведено сличение исследуемого трап-детектора с трап-детектором НН-03-1337, откалиброванным с помощью криогенного радиометра в РТВ; сравнение полученных результатов с результатами расчетов по ВАХ показало, что точность определения внутренней квантовой эффективности фотодиода Hamamatsu S6337 с помощью его ВАХ составляет 0,1%.

Таким образом, в настоящей работе была решена важная научно-техническая задача по созданию высокоточных измерительных преобразователей малых уровней мощности лазерного излучения, используемых в современных высоких технологиях, актуальная в связи с переопределением единицы системы СИ-Ватт на основе фундаментальных физических постоянных.

Список публикаций

1. Mikryukov A., Kovalev A., Liberman A., Moskaluk S. Determination of internal quantum efficiency of a photodetector through its voltage-current characteristics // SPIE OPTO / International Society for Optics and Photonics. 2011. P. 79331S-79331S.

2. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Измерение вольт-амперных характеристик термостабилизированных кремнивыих фотодиодов // Измерительная техника. 2012. № 12. С. 22-25.

3. Микрюков А. С. Обзор методов и средств измерений мощности лазерного излучения малых уровней // Метрология. 2013. № 1. С. 24-38.

4. Kovalev A., Liberman A., Mikryukov A., Moskalyuk S. Determination of the internal quantum efficiency of a photodiode by means of its current-voltage characteristic // Measurement Techniques. 2011. Vol. 54, no. 2. P. 157-161.

5. Kovalev A., Liberman A., Mikryukov A., Moskalyuk S. Calculation of the radiation power absorbed by a photodiode from its experimental current-voltage characteristics // Measurement Techniques. 2012. Vol. 55, no. 1. P. 57-62.

6. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиода при помощи его вольт-амперных характеристик // 1-я научная конференция, посвященная 100-летию Б.М. Степанова / ВНИИОФИ. 2010.

7. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Вычисление внутренней квантовой эффективности фотодиода по его экспериментально измеренным вольт-амперным характеристикам // Девятая Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации». Пос. Поведники Московской обл.: 2012.

8. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С., Москалюк С. А. Заявка №2011143200 от 26.10.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Способ определения внутренней квантовой эффективности полупроводникового фотодиода по его вольт-амперным характеристикам».

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Микрюков, Алексей Сергеевич, Москва

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений»

Микрюков Алексей Сергеевич

Разработка методов и средств высокоточных измерений малых уровней мощности лазерного

излучения

01.04.05 - Оптика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н. Либерман А. А.

Москва - 2013

На правах рукописи

04201355038

Содержание

Введение ......................................................................7

Глава 1. Обзор методов и средств измерения малых уровней мощности.................................13

1.1. Самокалибрующиеся кремниевые фотодиоды ..........16

1.1.1. Самокалибрующиеся фотодиоды.............18

1.1.2. Квантовая эффективность самокалибруемого фотодиода 19

1.2. Трап-детекторы...........................20

1.2.1. Основные типы трап-детекторов .............20

Отражающие трап-детекторы...............30

Пропускающие (туннельные) трап-детекторы......33

Рупорные трап-детекторы.................34

1.3. Математические модели полупроводниковых фотодиодов .... 35

1.3.1. О возможности создания математических моделей определения квантовой эффективности фотодиодов.....35

1.3.2. Математическая модель полупроводниковых структур, заложенная в программу PC1D..............39

1.3.3. Расчеты характеристик фотодиодов на основе математической модели ......................39

1.4. Схемы электрического подключения трап-детекторов......40

1.5. Лавинные фотодиоды........................42

1.6. Изменения в системе СИ......................43

1.7. Перспективы развития методов счёта фотонов..........46

1.8. Выводы................................48

Глава 2. Способ определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характери-

стик .....................................49

2.1. Оценка принципиальной возможности определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик.......................49

2.1.1. Основные положения модели и метод решения.....50

2.1.2. Результаты расчетов....................54

2.2. Учет погрешностей измерения вольт-амперных характеристик при вычислении внутренней квантовой эффективности фотодиода..................................59

2.2.1. Моделирование случайных погрешностей при снятии вольт-амперных характеристик..............61

2.2.2. Метод определения параметров фотодиода .......65

2.2.3. Обсуждение результатов..................68

2.2.4. Результаты расчетов....................74

2.3. Выводы................................76

Глава 3. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиодов с помощью экспериментальных вольт-амперных

характеристик..............................77

3.1. Экспериментальные измерения вольт-амперных характеристик

высокоэффективных полупроводниковых фотодиодов......77

3.1.1. Описание экспериментальной установки и ее характеристик ............................77

Электрическая схема подключения фотодиода.....79

Измерения шумов всех элементов.............80

Оценка влияния температуры...............81

Дополнительная термостабилизация исследуемого фотодиода ......................83

Исследование стабильности лазера............86

Переходные процессы при изменении напряжения на

фотодиоде....................87

3.1.2. Экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик одиночного фотодиода ...........89

Краткая характеристика проведенных исследований . . 89 Эксперименты по измерению вольт-амперных характеристик ......................90

Предварительный анализ полученных результатов ... 91

3.2. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиодов ..................................94

3.2.1. Постановка задачи.....................94

3.2.2. Упрощение задачи и метод её решения..........97

Влияние разных параметров на точность определения

внутренней квантовой эффективности фотодиода .......................97

Измерение отдельных параметров фотодиода......98

3.2.3. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиодов Hamamatsu S6337 и S1336 ............ 102

3.3. Выводы................................106

Глава 4. Экспериментальное определение внутренней квантовой эффективности фотодиодов, входящих в состав трап-детектора .....................................107

4.1. Вычисление диффузных потерь в трап-детекторе........108

4.1.1. Диффузное рассеяние лазерного излучения на поверхности фотодиода......................108

4.1.2. Экспериментальные установки для измерения диффузного рассеяния .......................109

Установка для измерения полного диффузного рассеяния 109 Установка для измерения индикатрисы диффузного рассеяния ......................110

4.1.3. Результаты измерений...................112

4.1.4. Вычисление мощности поглощаемого диффузно рассеянного излучения......................114

4.1.5. Анализ полученных результатов .............120

4.2. Проведение сличений точностных характеристик независимо

откалиброванного трап-детектора с трап-детектором, откалиб-

рованным с помощью криогенного радиометра..........123

4.2.1. Особенности конструкции трап-детекторов .......123

4.2.2. Стабильность лазера....................125

4.2.3. Схема измерений......................126

Сравнение методов измерений...............127

Обоснование выбранного метода измерений.......129

4.2.4. Процесс калибровки ....................129

4.2.5. Оценка статистики измерений............... 130

4.2.6. Определение величины квантового дефицита......130

4.2.7. Результаты измерений...................132

4.3. Выводы ...............................133

Глава 5. Оценка погрешности определения внутренней квантовой эффективности фотодиода по его вольт-амперным характеристикам ................................135

5.1. Анализ составляющих погрешности................135

5.1.1. Оценка влияния глубины легирования р-п перехода . . 139

5.1.2. Оценка влияния профиля легирования фотодиода . . . 140

5.1.3. Оценка влияния погрешности измерения вольт-амперной характеристики фотодиода..............140

5.1.4. Оценка влияния толщин слоёв фотодиода........141

5.1.5. Оценка влияния неортогональной составляющей вольт-амперной характеристики.................141

5.1.6. Влияние минимизации количества используемых параметров.............................143

5.1.7. Влияние диффузного рассеяния излучения от поверхности фотодиода на результат измерений.........144

5.1.8. Погрешность сличения...................145

5.1.9. Сопоставление глубины искомого минимума с величиной статистической погрешности.............145

5.1.10. Оценка влияния корреляции между производными от параметров В АХ на точность решения задачи......148

5.2. Суммарная погрешность определения внутренней квантовой

эффективности фотодиода......................154

5.3. Выводы ...............................157

Заключение..................................158

Литература..................................161

Приложение. Акт внедрения результатов диссертации......179

Введение

Актуальность проблемы

Стремительное развитие лазерной техники и состояние отечественной лазерной отрасли требует создания в стране специализированных центров, обеспечивающих сертификацию лазерной продукции и связанных с ней технических систем. В подавляющем большинстве промышленно развитых стран созданы центры, обеспечивающие сертификацию в широком диапазоне мощностей (энергий) излучения от десятков Вт до Ю-9 Вт. Обычно такие центры имеют в своем распоряжении калориметрический эталон для измерения лазерных потоков в диапазоне 10~3 -т- 10 Вт с точностью ~ 0,1% и криогенный радиометр, обеспечивающий измерения в диапазоне Ю-9 10~3 Вт с точностью ~ 0,005%. Во многих лабораториях вместо криогенного радиометра используют калиброванный с его помощью полупроводниковый трап-детектор, обеспечивающий точность измерений ~ 0,02%.

Таким образом, описанная выше пара измерителей получает единицу мощности лазерного излучения через промежуточный физический процесс — процесс нагревания термостата.

Духу нововведений в системе СИ, связанных с переопределением основных физических единиц, в наибольшей степени отвечает процесс прямого преобразования фотон —» электрон + дырка в фотоприемниках. Фактически

дело сводится к измерениям тока фотодиода и частоты лазерного излучения, что можно измерять с очень высокой точностью. Центральным вопросом здесь является определение квантовой эффективности указанного преобразования. Именно поэтому очень важно уметь калибровать фотодиоды независимо от тепловых приемников.

Создание высокоточных методов и средств измерений малых уровней лазерного излучения является серьезной научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.

Цель и основные задачи диссертации

Необходимость решения этой проблемы определила цель настоящей работы: создание высокоточных методов и средств для измерений малых уровней мощности лазерного излучения в динамическом (Ю-9 -т- 10~3) Вт и спектральном (0,4 -Ь 1,1) мкм диапазонах с погрешностью не более 0,1%, отвечающих процессу преобразования: фотон —>• электрон + дырка.

• исследование факторов влияющих на точность определения внутренней квантовой эффективности фотодиода: погрешности определения вольт-

амперных характеристик, профиля легирования, толщин р—п—п+слоев фотодиода.

Научная новизна работы

В работе впервые:

• с помощью модельных расчетов доказана однозначность определения параметров фотодиода по его вольтамперным характеристикам;

Практическая ценность и использование результатов работы

Положения выносимые на защиту

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Публикации

Вклад автора

Структура и объем диссертации

Глава 1

Обзор методов и средств измерения малых

уровней мощности

В течение длительного периода основным измерительным преобразователем при воспроизведении единицы мощности светового излучения являлся тепловой приёмник [9-13], который позволял реализовывать точность измерений мощности лазерного излучения 0,1%. В конце прошлого века, в диапазоне мощностей излучения от 1 нВт до 1 мВт с помощью криогенного радиометра была достигнута точность измерения порядка 0,01% [14-17]. Другой метод измерения мощности излучения связан с использованием фотодиодов. Долгое время точность измерения мощности излучения фотодиодами оставалась довольно низкой « 10% [18-20]. Это связано с тем, что полупроводниковые фотодиоды обладают как внутренней, так и внешней квантовой эффективностью, которые могут изменяться в довольно широких пред