光电测试

光电测试（精选5篇）

光电测试 篇1

0 引言

金属半导体材料由于其具有许多独特的光电性能而被广泛应用于电子、航空、激光、催化、传感、军事等关键领域中。目前,ZnO由于其具有良好的光电性能、易于合成等优点在这些领域中有着广泛的应用,但是因为其禁带宽度较大(约3.2eV),使得ZnO所应用的波长局限在紫外波段[1,2]。为了扩展其使用波长的范围和进一步提高其光电性能,对ZnO进行掺杂处理是一个简单易行却又有明显效果的方法[3,4]。例如,Heo等在ZnO中掺杂P元素,提高了其在可见与红外波段的响应[5]。Shinde等采用Ga和N掺杂ZnO,大幅度提高了ZnO的光电响应幅度[6,7]。Yakuphanoglu等采用Co掺杂ZnO获得了较高的开路电压和短路电流[8]。在这个领域中,目前的研究热点不在于使用何种掺杂元素,而是在于掺杂所带来的缺陷怎样影响金属氧化物半导体材料的光电性能。对于这个问题,研究人员通常采用光电流时域曲线测试方式(Time-resolved photocurrent tests)来评价金属氧化物半导体的光电性能[9,10,11]。这种测试方式的优点是原位、方便快捷,但由于其测试所用的光源波长是固定的,故所得到的信息有一定局限性。因此,传统的光电流时域的测试方式并不能有效地获得缺陷对性能的影响。而将光电导测试所用的光源从单色光改为能连续变化波长的光源可以获得更多的材料信息,这种测试方式也成为光电流谱测试方式(Frequency-resolved photoconductivity tests)。而因此,设计并搭建一个光电流谱的测试平台,可以直接获得缺陷对光电流性能的影响,为设计新的掺杂体系提供基础。

1 实验装置

1.1 材料芯片

我们选用FTO作为材料芯片的基板,同时在FTO上用激光刻蚀出电极,电极间距为100μm。材料芯片如图1所示。我们选用Al作为掺杂元素。这样选择的原因是Al元素的原子半径(1.43)与Zn原子相近(1.34),同时Al原子最外层电子数为3,Zn原子最外层电子数为2,Al元素掺杂可以提供施主能级,提高ZnO在可见光区域的响应。采用溶胶-凝胶法在FTO上制备ZnO薄膜材料,具体的制备流程如图2所示。对照样本的制备过程为,将醋酸锌溶解后不加入AlCl3溶液,其余部分与上述过程相同,这样可以获得纯ZnO多孔膜。

1.2 光电流谱测试平台

光电流谱测试平台如图3所示,主要由光源部分、环境控制部分、测试腔、信号采集电路四个部分组成。

我们采用氙灯和双光栅单色仪产生连续变化的单色光。氙灯光源功率大,产生的光强高,而且其产生的光的光谱与太阳光近似,同时,单色仪利用每个波长离开光栅的角度不同,通过衍射光栅色散为分离的波长,可以从连续光谱中分离得到特定波长的单色光。我们采用计算机控制单色仪以一定速度步进的方式并配合氙灯所产生的连续光谱即可获得连续变化的单色光,并用光纤的方式将单色仪处理后的光源引入到测试腔中。

环境控制部分采用高压气氛(干燥空气、惰性气氛以及VOCs)为气源,通过混合的方式获得所需要的气氛。质量流量控制器用来精确控制各路气氛,以达到所要求的混合效果,其控制范围为1～1000ml/min。在环境控制部分的末端设置了一个混合腔,以便于多路气氛可以得到更好的混合,同时在这个混合腔中设置了温度湿度传感器,用于监控混合后的气氛。

信号采集电路将所检测的材料信号转化为计算机可以识别并处理的信号。信号采集电路采用匹配电阻串联的方式,通过测试匹配电阻上电压的变化,通过欧姆定律(I=U/R)即可获得流经半导体的电流变化。电压信号输入到数据采集卡(NI公司PCI6229型号)中转变为数字信号供计算机进行后期处理。平台可以测试的电阻范围为500Ω～100MΩ,且测试误差可以控制在5%以下。

测试腔连接环境控制与光源,并容纳材料芯片和信号采集电路。测试腔分为上盖、中腔和下盖三个部分,如图4所示。上盖主要与光源对接,其中凹槽部分容纳光纤组件与单色仪进行连接。中腔主要是放置材料芯片,同时有气路的接口与环境控制部分进行连接。下盖主要是放置数据采集电路,同时起到一定的电磁屏蔽的效果。我们采用了探针桥接的方式连接材料芯片和测试电路,由于探针具有一定的弹性,使得这种连接方式具有稳固、方便的特点,降低了人为操作所引入的误差。

2 实验和结果分析

掺杂Al的ZnO多孔膜(Al:ZnO)与未掺杂ZnO的SEM结果如图5所示。从SEM的结果可以发现,未掺杂ZnO仍然是颗粒状的,但掺杂Al之后的ZnO多孔膜呈现蜂巢状,仔细观察可以发现是由许多片状的ZnO生长在一起,其相互连接,连通性好。有研究发现,金属氧化物中的金属离子能够促进ZnO的生长。因此,我们认为是掺杂的Al离子促进了ZnO在特定晶面上的生长而得到新形貌。

Al:ZnO与ZnO的光电导谱如图6所示。从图中可以看到,Al:ZnO的主峰相对于未掺杂的ZnO是一致的。但是Al:ZnO在470nm左右发现有一个肩峰,即相比于未掺杂材料,在这个波长范围内的响应是增加的。这可能是掺杂引入的缺陷所导致的。从两种材料的光电流响应绝对值来看,Al:ZnO比纯ZnO的响应要高,说明在掺杂Al后所引入的缺陷形成的陷阱抑制了光生电子与空穴的复合。

为了能够更清楚地了解缺陷对光电导谱的影响,我们对测试得到的光电导谱进行分峰处理,分峰的结果如图7和表1所示。从分峰的结果可以看到,掺杂后带到带(CB-VB)的激发所产生的光电流的比例从71.5%下降到69.6%,这也意味着掺杂后总体缺陷浓度都有小幅增加。对比各种缺陷可以发现,各种缺陷的浓度都增加。在这些缺陷中,VZn的缺陷浓度改变最大。而正是VZn缺陷的影响导致了Al:ZnO的光电谱中产生470nm的肩峰。因此,可以发现,通过溶胶凝胶的方式掺杂Al元素后,对ZnO有明显的影响。在合成过程中,Al进入ZnO材料晶格中,形成离子缺陷,发生如下的反应:,即A l元素掺杂后,引入了VZn缺陷。当480nm光照射时,有,上述反应的产生导致了非平衡载流子的增加,使得光电导谱中在这个波长范围上有肩峰产生。

3 结论

在本文中,我们通过光电流谱的测试方式研究了掺杂对金属氧化物半导体多孔膜缺陷与其光电性能的影响。从测试结果可以看到,掺杂Al的ZnO多孔膜中的缺陷VZn对光电导性能有明显的影响,使得其在受到480nm波长光照射时有明显的响应。这个结果表明掺杂的方式会引入特定的缺陷,使得材料在本征光电导区间外也有一定的响应,扩展了材料的波长响应区间。这个结论可以指导我们今后对光电导材料的设计思路。通过我们的研究也表明,光电流谱的测试方式可以原位、直接、快速和准确的表征材料中缺陷对光电性能的影响。

摘要：文章设计并搭建了一个金属氧化物半导体材料光电流谱测试平台。采用溶胶凝胶的方法在FTO上制作了掺杂Al的ZnO多孔膜材料并测试了其光电流谱。通过测试结果可以看到,相对于纯ZnO,掺杂Al的ZnO多孔膜在入射光波长为480nm时有明显响应,同时响应的绝对值也较高。这是由于掺杂Al导致多孔膜中Zn空位增加而引起的。这个现象表明掺杂的方式会引入特定的缺陷,使得材料在本征光电导区间外也有一定的响应,可以扩展了材料的波长响应区间。同时,我们的研究也表明,光电流谱的测试方式可以原位、直接、快速和准确地表征材料中缺陷对光电性能的影响。

关键词：光电流谱,掺杂,金属氧化物半导体,多孔膜

参考文献

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[5]Heo YW,Ip K,Pearton S J,et al.The near band-edge emission and photoconductivity response ofphosphorus-doped ZnO thin films grown by pulsedlaser deposition[J].Physica Status Solidia-Applicationsand Materials Science.2004,201(7):1500-1509.

[6]Shinde S S,Rajpure KY.Fabrication and performanceof N-doped ZnO UV photoconductive detector[J].Journal of Alloys and Compounds.2012,522:118-122.

[7]ShindeSS,RajpureKY.Fabricationandperformanceof N-doped ZnO UV photoconductive detector[J].Journal of Alloys and Compounds.2012,522:118-122.

[8]Yakuphanoglu F.Electrical and photovoltaicproperties of cobalt doped zinc oxide nanofiber/n-silicon diode[J].Journal of Alloys and Compounds.2010,494(1-2):451-455.

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[11]Nozik A J.Multiple exciton generation insemiconductor quantum dots[J].ChemicalPhysics Letters.2008,457(1):3-11.

光电测试 篇2

（讨论稿）编制说明

一、工作简况

1.标准简况：

载流子复合寿命是半导体材料中一个重要参数。因为其与晶体中的缺陷和沾污的强相关性，采用载流子寿命测试，可以用来监控生产过程中的沾污水平，并研究造成半导体器件性能下降的原因。微波光电导衰减测试方法是众多载流子复合测试方法中的其中一种，其主要测试原理是激光注入产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，利用微波信号的变化量与电导率的变化量成正比的原理，通过监测微波反射信号来探测电导率随时间变化的趋势，从而得到少数载流子的寿命。因为本方法是无接触的，对样片表面处理简单，尤其是太阳能产品，并且测试数据重复性好，被广泛应用，也是器件厂家衡量硅片产品质量的一个很重要依据。对该标准的修订，有利于进一步规范和指导其测试过程。

2.任务来源

根据国标委综合[2015]52号文件《关于下达2015年第二批国家标准修制定计划的通知》，由有研半导体材料有限公司主要负责的国家标准《硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》的修订工作。3.项目承担单位概况

有研半导体材料有限公司，原名有研半导体材料股份有限公司。是由北京有色金属研究总院（简称“有研总院”）作为独家发起人设立的股份有限公司，成立于1999年3月，并在上海证券交易所挂牌上市（股票简称“有研硅股”），主营半导体材料。2014年3月，有研总院决定将主营业务扩展为半导体材料、稀土材料、高纯/超高纯金属材料以、光电材料的研发、生产和销售，因此更名为有研新材料股份有限公司。2014年11月，根据有研总院的决定，硅材料板块的全部资产和业务从有研新材料股份有限公司中剥离到有研总院控股的有研半导体材料有限公司，继续继续硅材料的生产、研发和销售，至此更名为：有研半导体材料有限公司。

该公司的前身是有研总院下属的硅材料研究室，建国以来，一直致力于硅材料的研发、生产，并承担了“九五”、“十五”“十一五”期间国家硅材料领域多项重大攻关任务和产业化工程，并支撑和带动了国内相关配套产业和技术发展。现已形成具有一系列具有自主知识产权的技术体系和产品品牌，目前主要生产5-8英寸硅单晶及抛光片，并一直开展12英寸抛光片的研发和生产。产品可用于集成电路、分立器件、太阳能等多个领域，远销美国、日本、西班牙、韩国、台湾、香港等地，在国内外市场具有较高的知名度和影响力。4.主要工作过程

本项目在下达计划后，我们组织了专门的标准编制小组，进行了微波反射光电导设备、用户要求、相关标准应用的方面的调研和收集；在对SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》充分理解的基础上，结合多年来国内外用户要求和生产实践，编写了本标准草案。5.标准主要修订人及修订工作

曹孜

教授级高工 标准的主要修订

孙燕

高工

协助标准的修订、审核，组织标准修订的各方面工作 赵而敬

工程师

协助标准的修订。

二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据

1、编制原则

本标准起草单位自接受修订任务后，成立了标准编制组负责收集相关参考标准、市场需求及客户要求等信息，初步确定了该标准修订所遵循的基本原则和编制依据： 1）查阅相关标准和国内外客户的相关技术要求；

2）按照GB/T 1.1和有色加工产品标准和国家标准编写示例的要求进行格式和结构编写。3）参照SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》的内容。

三、标准水平分析

本标准《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》建议为国际一般水平。

通过文献检索和网上查询，参考的国内外关于相关的标准主要有以下几个：

SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》 SEMI PV9-0611《光伏级硅材料过剩载流子在短光照脉冲后衰减的无接触微波反射光电导衰减测量方法》

GB/T 1553 硅和锗体内少数载流子寿命测定 光电导衰减法

YS/T 679 非本征半导体少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测试方法

四、与我国有关的现行法律、法规和相关强制性标准的关系 《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》与国家现行法律、法规和相关强制性标准不存在相违背和抵触的地方。

五、重大分歧意见的处理经过和依据。

无

六、标准作为强制性标准或推荐性标准的建议

建议本标准作为推荐性国家标准发布实施。

七、代替或废止现行有关标准的建议

无

八、其他需要说明的事项

本标准的修订主要目的是进一步规范电子级硅片载流子复合寿命的微波反射光电导测试方法，有利于和国际先进标准接轨。对于太阳能级的产品，测试原理是相同的，可以借鉴此标准。但是对于太阳能级铸锭和单晶产品中，测试设备上是有差别的。如果参考此标准测试，建议切取成薄样品测试。

九、预期效果

随着本标准的制定和推广，在硅片的采购、生产和使用中，都会更进一步规范，将更加有利于供需双方对产品的确认和加工，减少表面处理方式不同，测试设备不一致和要求上的差异，避免带来质量上的问题，也将有利于硅片进出口贸易。

国家标准编制小组

光电测试 篇3

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素[1].速度稳定回路是跟踪系统的关键环节, 其性能对系统的跟踪精度有较大的影响, 因此建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 取得了被控对象较为精确的数学模型.

1 系统组成及控制原理

系统为安装于移动载体上的光电跟踪系统, 为克服载体运动及空气扰动力矩[2], 系统采用整体稳定的双轴陀螺稳定平台结构.系统由光电探测器、转塔、图像处理计算机、中心控制计算机和信号解调与功放电路5部分组成.光电探测器和陀螺安装在转塔的俯仰环架上, 图像处理计算机主要负责图像采集、目标识别和目标提取, 并将目标的偏差信息发送给中心控制计算机, 经中心控制计算机解算后, 完成对转塔的伺服跟踪控制.系统结构原理示意图如图1所示.

系统可工作在扫描、随动、半自动跟踪、自动跟踪等多种模式下, 不同的工作模式, 控制系统回路结构也不完全相同.在跟踪模式下, 控制回路原理框图如图2所示. 由速度稳定回路组成系统控制内环, 由跟踪回路构成系统控制外环, 组成双闭环控制系统.

2 速度稳定回路模型的建立

根据系统原理框图, 虚线框部分为系统的速度稳定回路, 由校正环节、PWM功放环节、电机及负载、陀螺4个部分组成.在跟踪状态下, 速度稳定环和跟踪环对载体角运动均具有隔离作用, 但跟踪环的采样频率较低, 且跟踪传感器存在延迟环节, 因此, 跟踪回路带宽较窄, 对载体角运动的隔离作用较弱, 系统中主要起隔离作用的是速率稳定环[3].速度稳定回路各环节的模型如下:

(1) 速度稳定回路校正放大环节GTVC (s) , 其结构和参数在速度稳定回路设计时确定.

(2) PWM功放环节GPWM (s) 由两部分组成, 一部分是比例环节, 另一部分是延迟环节

GH (s) =Ke-TPWMs (1)

(3) 被控对象是由电机及负载组成的跟踪环架, 其传递函数为

$G{}_{{\rm O}BJ}(s)=\frac{1/{\rm K}{}_e}{({\rm T}{}_{m}s+1)({\rm T}{}_{e}S+1)}(2)$

(4) 速率陀螺的输出为与速度信号成正比的电压信号, 比例因子为

Klf=146.02 (mv/°/s)

传递函数为

Ggyro (s) =Klf (3)

3 跟踪环架频率特性的工程测试

频率特性法是控制系统设计常用的方法, 在分析跟踪环架频率特性的基础上, 建立跟踪环架的数学模型, 依据控制系统性能指标, 绘制期望的频率特性, 设计出校正环节, 使系统达到良好的动态特性和稳态性能. 光电跟踪架的开环频率特性测试原理框图如图3所示.

(1) 由信号发生器产生频率可调、幅值相位固定的正弦信号, 一路经AD转换后送给伺服控制器, 另一路送给示波器;

(2) 伺服控制器根据所采集的正弦信号的符号和数值分别产生控制转轴转动的控制信号, 使转塔框架作正弦摆动, 所摆频率与正弦激励信号相同, 转塔框架摆动的速度由陀螺测量得到, 即将陀螺的输出信号送与示波器显示;

(3) 记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压幅值和输出电压幅值, 经计算可得被测系统的对数幅频特性曲线;记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压和输出电压的相位差, 经计算可得被测系统的对数相频特性曲线.

按照以上步骤, 对方位跟踪环架进行了测试, 绘出相应的频率特性曲线如图4所示.

4 数据分析与结果仿真

利用MATLAB中的多项式拟合命令[a, s]=polyfit (x, y, n) , 对测试数据进行拟合, 由于多项式的拟合目标是形如y (s) =f (a, x) =a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1的n阶多项式模型, 不能

直接用于对频率特性的幅频特性进行拟合, 通过函数变化, 变为可以简单有效处理的线性最小二乘问题[4].被控对象的传递函数为

$G(s)=\frac{ke{}^{-{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}s}}{\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}s+1\right)\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}s+1\right)}(4)$

两边取幅值, 则有

$\begin{array}{l}|G(j\omega )|=\frac{|ke{}^{-i{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}\omega }|}{\left|\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega +1\right)\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega +1\right)\right|}=\\ \frac{|{\rm K}|}{\sqrt{(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega \right){}^2+1\left(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega \right){}^2+1\right)}}(5)\end{array}$

变换后为

$\begin{array}{l}\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}=\frac{1+\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2}{{\rm K}}=\\ \frac{1}{{\rm K}}+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm K}}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2(6)\end{array}$

令$x=\omega {}^2‚y=\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}$, 则式 (6) 变为

$y=\frac{1}{k}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}x{}^2+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)x+\frac{1}{{\rm K}}(7)$

这样就可直接用二阶多项式进行拟合, 经拟合并计算得

$\{\begin{array}{l}{\rm K}\approx 18\\ {\rm T}{}_1\approx 5.6\\ {\rm T}{}_2\approx 280\end{array}$

得到被测对象对应的最小相角系统为

$G{}_1(s)=\frac{18}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(8)$

延迟环节参数TPWM的确定, ∠G (s) 和∠G1 (s) 的相位差为∠G1 (s) -∠G (s) =TPWMω, 根据相位差的对应关系, 可以求出TPWM=0.005s.

则求得速度稳定回路控制对象的传递函数为

$G(s)=\frac{18e{}^{-0.0055s}}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(9)$

比较试验曲线和拟合传递函数的曲线如图5所 示. 拟合曲线和试验曲线误差分布图如图6所示. 从中可以看出, 经最小二乘法拟合的理论曲线, 在较宽的频率范围内与试验真值保持了良好的一致性.

5 结 束 语

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素.建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 得到被控对象较为精确的数学模型, 通过仿真可看出试验曲线和拟合曲线在较宽的频率范围内一致.通过建立的控制对象数学模型, 可以更好地根据方位轴系的稳定性能和动态性能要求, 精确的设计校正环节, 从而提高系统的跟踪控制精度.运用该方法也可以对俯仰跟踪环架进行建模, 设计校正环节.此方法还可以对各个闭环跟踪控制回路进行分析, 测试闭环跟踪控制系统的性能指标, 在工程上具有较好的实用性.

参考文献

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光电测试 篇4

半导体光电探测器是利用光电效应来探测光辐射的半导体器件[1]。高温和低温参数测试是器件环境试验的重要环节, 为全面评估器件的可靠性提供有利的依据。常温下的光参数的测试有相应的标准, 而高温和低温条件下的光参数的在线测试方法目前还没有标准。一般常规的方法是通过恒温箱进行测量, 这种方法体积比较大, 测量起来很不方便, 对小功率的器件根本无法从恒温箱的玻璃窗口透出光线, 从而很难在工作温度下进行其各项光参数的在线测试。把器件安装在热沉上, 通过对热沉外部直接加温降温的方法很难避免器件在降温时出现结霜现象。对本身不带尾纤的器件在高低温条件下测试时, 通常采用光纤耦合的方式, 但器件的封装形式会遭到破坏, 故此方法对于测试方法的设计很难得以推广。基于以上几种方法的优、缺点, 本文设计了一个小型的温度试验腔来测试器件在不同温度下的光参数。

2 系统设计

本文提出的测试方法结合常规的恒温箱测试和外部控温的方法，采用小型真空腔体实现对器件的准确控温，实现参数的在线测试。系统以热传导方式工作，将器件安装在导热性能很好的热沉上，将器件管壳的温度作为其环境温度，以液氮降温、电热丝加热的方式控制温度。

2.1 温度试验腔的设计

温度试验腔采用不锈钢外壳设计，内部为空腔，外壳上嵌入高透射率且很薄的石英玻璃。内部由热沉、单片机控制模块、温度传感器等组成，设计原理如图1所示，虚线框内为腔内部分，其他部分为腔外部分。

温度试验腔以热传导方式实现温度控制，将温度传感器安装在热沉上且与器件尽量接近。热沉由高导热率的铜制作，为探测器提供一个恒定温度表面。采用液氮降温的方式，由于热交换，温度试验腔内的液氮将会因挥发而减少，为补充液氮，设置了液氮输入口，并设置位置传感器，当液面低于一定高度，液氮缸便向试验腔内输入液氮，这样可保证温度的恒定并可控制降温的速率，有利于器件在不同温度情况下的性能测试。

铂电阻具有好的灵敏度和稳定性[2]，选用其作为系统的温度传感器，温度试验腔体积小，且传输的光信号比较微弱，应尽量避免噪声的引入，故严格的屏蔽是很必要的。

温度试验腔的实物如图2所示，图2 (a) 是温度试验腔的四个输入输出口，由左至右依次是加热输入端、液氮输入口、同轴线信号输出端、真空抽气孔。图2 (b) 是试验腔体的不锈钢外壳，石英玻璃窗。腔体可以拆卸，图2 (a) 和图2 (b) 装配在一起就是完整的温度试验腔。这样的设计可以方便器件的测试，也有利于一组试验完成后水汽散出。

2.2 参数值的获取方式

本文以R T-Ⅰ型G e探测器作为标准器件，通过将被测器件的参数值与标准器件的参数值进行比对的方法，得到了光电探测器的光谱响应度，绘制了光谱曲线，得到器件在高温、常温、低温条件下的峰值响应波长和响应光谱半宽。用示波器测得了器件在不同温度下的响应时间，这些参数为判定器件的性能提供更全面的依据。

以经过中国计量科学研究院的校准计量的R T-I型G e光电探测器为标准探测器，测得其波长在1 0 6 0 n m时，光电流为33.74nA，响应度为0.4A/W，光敏面是直径为5mm的圆形。被测器件的光敏面是边长为1 2 0μm的正方形。

响应度是描述探测器灵敏度的参量。它是表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数[3]。此处规定为在规定波长和反向偏压下单位光功率所产生的光电流，公式为Re=IL/Pi n。故被测探测器件的光谱响应度的计算公式为：

故高温和低温条件下的光谱响应度计算公式为：

低温响应度RLT=ILT/IRT×RRT (3)

式中Rp D、IpD、Sp D分别为被测器件的响应度、电流相对值、光敏面积。IHT、IRT、ILT为被测器件在高温、常温、低温下的电流相对值，RH T、RR T、RL T为高温、常温、低温下响应度。

2.3 测试过程

被测探测器的峰值响应波长在1 0 6 4 n m附近，工作温度为-45℃～75℃。单色仪发出波长为1 064nm的光，探测器透过温度试验腔的玻璃窗接收光信号，探测到的信号很微弱，夹杂噪声等，需借助锁相放大器从噪声中提取有用信号。

调整光路，使光照射到试验腔的石英玻璃上。将温度试验腔体抽真空3 0分钟，使其达到真空环境。调整光路，检查各部分的连线。便可进行参数的测试。

两个器件为一组，编好号码进行测试，由按键根据图3的工作流程来设定温度，常温2 5℃、低温-4 5℃、高温7 5℃。测试完一个器件之后，在高温时可进行同组中另一器件的测试。温度传感器检测到的工作温度信号与设定温度值相比，当传感器上的温度信号小于设定温度值时，系统发出致热温控信号，当大于设定温度值时，发出致冷温控信号，当达到设定的温度点时按下保持键，避免过冲，待温度稳定后，进行参数测试。

测试完一组器件的参数之后，等待30分钟，待温度试验腔内的水汽完全干燥，以避免器件在低温时结霜，待恢复到常温下之后再进行下一组器件的试验。

3 测试结果及分析

温度试验腔适用于对器件光谱参数的测试。腔体的玻璃窗对光信号有一定的衰减，但本文都是取能量的相对值，对光参数的测量结果影响很小，下面以一组试验中的一个器件来列举说明问题。

3.1 测试结果

图4所示的两条曲线，上面的曲线是常温条件下，器件在无玻璃窗口衰减条件下的波长-电流相对值曲线，下面的曲线是常温时在温度试验腔内有玻璃窗口时的波长-电流相对值曲线。据图线可知，有玻璃窗的衰减时电流的相对值有所降低，说明光能量有损耗，但光谱响应的峰值波长及曲线形状几乎没有变化，说明本试验的测试方案对于光参数的测试是很适用的。

通常半导体激光器内部温度增加时，输出波长也随之增加，波长随温度变化的典型值为0.3～0.4nm/℃[2]。光电探测器的峰值响应波长受温度的影响也会有光谱漂移的现象，图5中所示的曲线由左至右分别是被测探测器件在低温、常温、高温情条件下的波长-电流相对值的对应曲线。为便于比较分析，将其对应曲线画在同一坐标系中，由曲线可知探测器件在高温和低温情况下的漂移情况，漂移的趋势符合理论推测值。系统曲线基本流畅，无过多毛刺，表明系统有较强的抗干扰能力。

由公式 (1) 、 (2) 、 (3) 所得器件在高温、常温、低温条件下的各参数值见表1。

3.2 分析

由表1所示的参数值可知，峰值响应波长高温时向长波方向漂移，低温时向短波方向漂移，响应度受到温度的影响也有此变化趋势;光谱响应半宽度几乎无变化，说明光谱响应范围受到温度的影响很小;温度变化对响应时间的影响也很小。以上结果完全与理论相符，且完全符合器件设计要求规定的值。试验方法和过程受到检测机构圣陶平的监督和认可。

4 结论

本文的试验方法与常规的测试方法相结合，通过一个小系统来实现，具有体积小、操作方便等优点，既可较准确控温又可实现在线测试光参数。

本设计的温度试验腔控温范围可达-160℃～200℃。在器件的鉴定检验中得以应用，证明了该系统的控制精度可以达到±0.2℃，且响应速度快、平稳、稳定度高。从25℃升温到75℃，用时74秒，从75℃降温到-45℃的最快速度可达110秒。系统连续测试8小时以上，温度稳定在±0.2℃以内。该系统能够满足小体积、小功率的光发射器件和光探测器件的高、低温参数在线测试的要求。为器件的可靠性评估提供了有效的依据。对于同一器件的批量试验可根据需要扩大腔体的体积，实现多个器件参数的在线测试。为光电子器件的高低温光参数测试方法的制定提供了可行的方案。

摘要：提出一种在线测试光电探测器高温和低温光参数的测试方法。该方法通过一个小型的温度试验腔来实现, 并与标准器件的参数对比得到被测器件的相关参数, 得出与理论相协调的试验结果, 能够满足器件可靠性评估的测试要求。

关键词：光电探测器件,光参数,测试方法

参考文献

[1]电子工业部第四十四所.GB/T15651-1995半导体器件分立器件和集成电路第5部分:光电子器件[S].北京:中国标准出版社, 1995.

[2]唐文彦, 孙晓明, 周延周.半导体激光器高精度温度控制系统的设计[J].哈尔滨工业大学学报, 1994, 26 (4) :10-12.

光电测试 篇5

1 系统设计

1.1 系统测试原理

光电设备系统级响应时间测试是通过计算机设置,控制强度可变的无穷远光源,模拟目标变化规律,发射出具有目标辐射特征的平行光,作为被测设备激励源;在光束发射同时,同步记录光束发射时间和被测设备数据输出时间,计算两信号时间差,得到被测设备的系统响应时间.响应时间包括了被测试设备的光电转换、前置放大、处理识别和数据传输等时间,所得响应时间具有系统级时间意义.

光电设备探测概率测试是通过预先设置,以一定频率连续发射某一模拟目标辐射特性的光,经双余度反馈环,一路反馈是设备接收到信号的直接反馈,另一路反馈是光电自闭环回路,分别记录2个回路的接收信号次数,然后,分别与设定的发射次数相比,获得设备的实际目标探测概率,且目标变化规律可以根据被测设备要求进行设置.

1.2 系统结构

系统主要由平行光管、可控光源系统、光电探测组件和控制模块组成,如图1所示.可控光源由点光源、稳流源和可变光阑组件组成,可以通过控制模块驱动可变光阑组件,控制光强按一定规律变化.平行光管将点光源转变为平行光,模拟无穷远光源.光电探测组件将探测到的平行光管发射的光信号转换为电信号,反馈给控制模块,作为光电探测的内闭环;被测设备接收到光信号后,转换为电信号,并反馈给控制模块,作为测试系统的外闭环,用于计算设备的响应时间和探测概率.

1.3 系统设计

1.3.1 控制模块

系统控制模块包括核心处理器TMS320LF2407、电源管理、电机控制接口、光电探测接口和被测设备输入接口等5个部分.

控制模块采用TI公司的TMS320LF2407 DSP作为主控CPU,完成电机控制,A/D转换、脉冲捕捉、I/O输入/输出、数据通信等功能.

TMS320LF2407是16位定点数字信号处理器,是TI公司专门为数字控制设计的一款DSP.它具有丰富的硬件资源,内部有32 位累加器,32 K字的Flash程序存储器,544字的DARAM,2 K字的SARAM.同时可以通过外部的地址总线、数据总线、控制总线分别扩展64 K字的数据空间、程序空间、I/O空间,40个复用的I/O接口,2个定时器,16位外部数据总线.更为重要的是为电动机控制提供了8路PWM输出,可编程的死区控制单元,可编程PWM控制方式,16路10位ADC转换器,异步串行接口(SCI)、串行同步外设接口(SPI),以及多路信号输入捕捉(CAP))等强大的片上外设支持能力,使得电路的设计大大简化.

1.3.2电动光阑

电动光阑包括可变光阑、齿轮传动机构和电机驱动3部分.电动光阑通过多叶片的可变光阑模拟点光源为系统提供光信号,所采用的可变光阑可以完全闭合,因此能够为系统提供光强从零开始变化的信号.系统通过步进电机对可变光阑进行控制,可变光阑以接近1赫兹频率频繁正反转,控制信号的发送,所选择的步进电机的整步步距角为1.8°,可以实现最大64细分,最小步距角可以控制在约0.029°,能够满足控制精度要求.

1.3.3 光电探测组件的设计

光电探测组件由光电探测器,前置放大器、输出阻抗变换器和电源管理4部分组成,如图2所示.

光电探测器:选择硅光二极管采集光信号,将光信号转换成电信号经过放大电路后输入到DSP控制板进行处理.探测灵敏度采用宽光谱的方法,保证探测灵敏度高于被测设备灵敏度.

前置放大器:由于探测器的暗流存在,以及探测器转换信号微弱,所以,需要在前置电路上作相应处理.这部分电路的低噪声、高放大倍数是保证检测精确度的重要环节.

输出阻抗变换:由于光电探测组件必须置于平行光管的输出端,与检测控制板有一定距离.所以,必须加隔离运放,以减少信号在传输过程中的损耗,保证将高质量信号传输给控制板.

2 测试算法

2.1 响应时间测试算法

设备发射光信号是通过光阑开启和闭合的过程实现.因此,光辐射的时间由电动光阑打开瞬间决定,而光阑打开动作依赖于控制模块中给出的电机控制指令发出时间和电机轴至光阑叶片传动时间.由于传动机构及光阑结构的机械加工误差、电机控制误差的随机性影响,使得响应时间计算的起始时间具有不确定性,影响测量精度.

考察测试系统中影响起始时间的主要因素,如图3所示.

图3中横坐标为时间,纵坐标为光强,q1为通过光阑孔径后,经平行光管的出射光强,假定平行光管为理想状态,出射面光束的光强均匀.由于从控制模块发出指令到光阑打开,存在机械延时.由于机械传输摩擦、光阑机构公差等的不确定因素影响,这个延时具有随机性;从光阑打开到内闭环光电接收模块接收到光信号并转换为电信号存在光电转换延迟时间td,由于转换过程的随机干扰,这个时间也明显具有不确定性.

同样,控制模块通过DSP捕获单元获取被测设备反馈时间,作为反应结束时间ts.由于被测设备本身光学系统、光电转换系统、电路系统延时的随机性,使得结束时间具有不确定性.

因此,考虑上述响应时间测试过程的随机特性,响应时间求取需进行至少超过100次以上(可由软件设置)的重复同样光强变化规律的光发射过程,根据光电探测组件接收光信号脉冲时间td,及被测设备反应脉冲时间ts,求得测试过程中设备的所有响应时间,然后,利用平均方法消去随机误差.式(2)给出响应时间计算公式:

undefined

式中:△t为测得的设备响应时间;N为测试次数,要求N>100;td为一次测试中开始时间;ts为一次测试中结束时间.

显然,如果测试过程为正态分布,这个测试结果是无偏的.

2.2 探测概率测试算法

统计测试系统光发射次数和被测设备的响应次数,确定被测设备光探测概率Pd,计算公式为

undefined

式中:Pd为探测概率;Nr为设备接受到光的次数;Ne为测试系统发射光的次数.

这里的关键问题是控制每次探测过程的间歇时间间隔,当光强变化很快时,电动光阑高速转动,对于机构的机械性能及寿命影响较大;同时,连续高速开合也会产生运动累积误差,影响光强变化的正确性.因此,探测概率测试算法主要考虑在弱光强要求的情况下,光阑的最大开合度要求较小,可以减小td;随着光强增大,td增大.这个间隔也可根据测试需要设定.

3 结 论

上述光电设备系统级响应时间及探测概率自动测试系统,通过预置发射具有目标辐射特征的平行光作为激励源,采用统计方法得到响应时间及探测概率,测试结果准确可靠;测试过程无需人员干预,系统全部自动完成,自动化程度高,可节省测试时间.大量的测试试验验证了该系统的实用性和有效性.通过更换不同的激励源,可在紫外、可见光、红外等波段进行测试,系统具有较好的扩展性.

参考文献

[1]何照才.光电测量[M].北京:国防工业出版社,2002.