Silikon fotodiyotların optik karakterizasyonu

Abstract

Fotodedektörler araştırma ve endüstrinin çeşitli dallarındaki ölçümlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Radyometrik ölçümler, özellikle uluslararası yedi temel ölçüm biriminden biri olan ışık şiddeti birimi Kandela ve alt birimlerinin birincil seviyede oluşturulması, silikon fotodiyot temelli fotometreler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bundan dolayı kullanılan silikon fotodiyotların başta spektral duyarlılıkları olmak üzere çeşitli optiksel özelliklerinin yüksek hassaslıkla belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, TÜBİTAK-Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) Optik laboratuvarında yürütülmekte olan radyometrik çalışmalar sırasında, çeşitli özelliklere sahip geniş alanlı silikon fotodiyotların tayfsal duyarlılık ölçümleri, doğrusallık, duyarlılığın sıcaklığa bağlı değişimi ve yüzey üzerindeki algılama duyarlılık haritalarının çıkarılması için yapılan ölçümlerin sonuçlan aktarılmaktadır. İlk kısımda silikon fotodiyotların yan iletken fiziğine değinilmekte ve oluşturulan lazer ışın kararlılık sistemi anlatılmaktadır. Hassas ölçümlerde doğruluğu doğrudan etkileyen ve dedektör yüzeyinin farklı bölgelerinde değişiklik gösterebilen duyarlılık araştırılmış, çalışmalar sonucunda geniş alanlı fotodiyotların yüzey homojenlik haritaları elde edilmiştir. Silikon fotodiyotların yaygın kullanımının bir nedeni, görünür bölgedeki oldukça doğrusal duyarlılık davranışına sahip olmalarıdır. Ancak yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda fotodiyotların doğrusallıklarının özellikle çok düşük akım seviyelerinde belirlenmesi gerekmektedir. Bunun İçin ışın-toplama yöntemi kullanılarak 10"9 - 10"3 A fotoakım aralığında, fotodiyotların doğrusallığı 633nm He-Ne ışınımında belirlenmiş ve Ulusal doğrusallık standardı oluşturulmuştur. Fotodiyotların duyarlılıkları sıcaklık değişimine bağlı olarak önemli derecede değişiklik göstermektedir. Bu değişikliklerin hassas olarak tespit edilmesi ve fotodiyotlann sıcaklıkları kararlı sistemler içerisinde kullanılması gerekebilmektedir. Bu kapsamda, 20-40 °C sıcaklık aralığında 0.005 °C kararlılığa sahip bir özgünsıcaklık kontrol ünitesi oluşturularak fotodiyotların duyarlılıklarındaki sıcaklığa bağlı değişiklikler gözlenmiştir. J Son kısımda, buradaki ölçümlerin temelini oluşturduğu mutlak tayfsal duyarlılık ölçeğinin oluşturulması amacıyla yapılan deneysel ölçümler ve çalışılan teorik modeller aktarılmaktadır.Photodetectors are used for measurements in various branches of industry and research. Many radiometric measurements, especially primary realization of the candela and it's derivative units are formed by using silicon photodiode based photometers. Therefore, precise determination of the spectral responsivity and optical characteristic of the silicon photodiodes are vitally important. In this study, results of radiometric measurements performed at TÜBİTAK- Ulusal Metroloji Enstitüsü Optics laboratory are given. These measurements are spectral responsivity, linearity, temperature dependence of reponsivity, and non- uniformity. At the beginning, semi-conductor physics was concerned and then optics of the intensity stabilized laser source, which has been established at the laboratory, are presented. After that, the change of the responsivity on the surface, called spatial non-uniformity, has been investigated and the results of the uniformity mapping of the large area research-grade silicon photodiodes, which were measured on purpose- built set-up, are presented. One reason of widespread uses of the silicon photodiodes is that they have linear response in the visible range. However, it is necessary to determine the linearity of photodiodes down to radiant powers of approximately a nano watt for the precise measurements. Therefore, the linearity of photodiodes were determined in the range of 10"9 - 10"3 A photocurrents by using beam-addition method and the national linearity standard has been developed. The responsivity of the photodiodes may change due to the temperature Effects. These changes must be designated sensitively and photodiodes should be placed in the temperature controlled environment for accurate measurements. For this purpose, a temperature controlled housing, whose stability is better than 0.01 °C, was established and the changes of the responsivity due to the temperature was observed. In the last part of the study, results of experimental measurements and theoretical models used in order to establish the absolute responsivity scale are presented.