Способ определения мертвого времени лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА, РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ СЧЕТА ФОТОНОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович Тимофеев Александр Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения мертвого времени лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, в котором последовательно с лавинным фотодиодом подключают нагрузочный резистор, через который на лавинный фотодиод подают напряжение обратного смещения, превышающее напряжение пробоя лавинного фотодиода усиливают одноквантовые импульсы напряжения, формирующиеся на нагрузочном резисторе, выполняют их амплитудную селекцию формируют стробирующий импульс длительностью , который прерывает амплитудную селекцию импульсов на времяформируют гасящий импульс длительностью а, который уменьшает напряжение обратного смещения на лавинном фотодиоде ниже напряжения лавинного пробоя на время а, подсчитывают количество гасящих импульсов 1 за время измеренияпрекращают формирование стробирующего и гасящего импульсов на время , подсчитывают количество одноквантовых импульсов напряжения 2 после их амплитудной селекции за времяпо полученным значениям 1 и 2 определяют мертвое времяпо формуле Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения мертвого времени фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, оптоэлектронике, например, для измерения быстродействия фотоприемников. В режиме счета фотонов на выходе лавинного фотодиода (ЛФД) формируется импульс напряжения, который может быть вызван термогенерированным носителем заряда или носителем заряда, образованным под действием кванта регистрируемого оптического излучения. После возникновения импульса ЛФД способен сформировать следующий импульс только через некоторый промежуток времени . Такой промежуток времени называют мертвым временем лавинного фотодиода. Отметим, что импульсы, сформированные на выходе ЛФД под действием оптического излучения, далее будем называть одноквантовыми, а образованные под действием термогенерированных носителей заряда - темновыми. Различают два типа мертвого времени фотоприемника продлевающееся и постоянное 1. Считают, что лавинный фотодиод имеет постоянное мертвое время, если промежуток времениявляется постоянной величиной, не зависящей от мощности или интенсивности регистрируемого излучения и числа термогенерированных носителей заряда за единицу времени. ЛФД, для которого промежуток временизависит от скорости счета темновых и одноквантовых импульсов, имеет мертвое время продлевающегося типа. Длительность мертвого времени не зависит от того, одноквантовый или темновой импульс сформирован на выходе ЛФД. В случае мертвого времени продлевающегося типа используют его среднее значение п. Известны способы измерения мертвого времени фотоприемника при регистрации оптического излучения 1, 2, использующие дополнительный источник света. В некоторых из этих способов необходимо использовать нейтральные светофильтры для ослабления интенсивности оптического излучения. Использование внешнего источника оптического излучения и калиброванных нейтральных светофильтров затрудняет процесс измерения мертвого времени и усложняет их аппаратурную реализацию в счетчиках фотонов. Поскольку характеристики лавинных фотодиодов могут различаться для разных диодов даже одного типа, то при их замене в счетчике фотонов необходимо предварительно выполнять измерение мертвого времени . В течение эксплуатации ЛФД может измениться его емкость и сопротивление вследствие изменения режимов эксплуатации или частичной деградации его структуры. Поэтому необходимо перед началом измерений проводить определение мертвого времени. Это все требует наличия в счетчиках фотонов калибровочного цикла, за который можно определить мертвое время фотоприемника. Однако аппаратная реализация такого цикла известными способами достаточно сложна, поскольку требует дополнительного контрольного источника излучения и набора калиброванных нейтральных ослабляющих светофильтров. Контрольный источник оптического излучения должен быть постоянной интенсивности, а светофильтры - иметь высокоточное значение коэффициента ослабления. Наиболее близким к заявляемому способу (прототип) является способ активного гашения лавины 3. Этот способ используется для подсчета единичных фотонов, и сущность его заключается в том, что последовательно с ЛФД подключают резистор нагрузки, на лавинный фо 2 15846 1 2012.04.30 тодиод подают напряжение обратного смещения, превышающее напряжение лавинного пробоя фотодиода, усиливают одноквантовые импульсы напряжения, формирующиеся на резисторе нагрузки, затем выполняют их амплитудную селекцию, формируют стробирующий импульс длительностью , прерывают амплитудную селекцию импульсов на время , формируют импульс гашения длительностью а, уменьшают напряжение обратного смещения на ЛФД ниже напряжения его лавинного пробоя на время а при помощи импульса гашения, после чего подсчитывают количество импульсов гашения за время измерения , число которых пропорционально интенсивности регистрируемого излучения. Мертвое время ЛФД при активном гашении лавины является постоянным и определяется электронной схемой гашения. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение измерения мертвого времени лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, и расширение возможностей способа активного гашения лавины. Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения мертвого времени лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, последовательно с лавинным фотодиодом подключают нагрузочный резистор, через который на лавинный фотодиод подают напряжение обратного смещения, превышающее напряжение пробоя лавинного фотодиода усиливают одноквантовые импульсы напряжения, формирующиеся на нагрузочном резисторе, выполняют их амплитудную селекцию формируют стробирующий импульс длительностью , который прерывает амплитудную селекцию импульсов на времяформируют гасящий импульс длительностью а, который уменьшает напряжение обратного смещения на лавинном фотодиоде ниже напряжения лавинного пробоя на время а, подсчитывают количество гасящих импульсов 1 за время измеренияпрекращают формирование стробирующего и гасящего импульсов на время , подсчитывают количество одноквантовых импульсов напряжения 2 после их амплитудной селекции за времяпо полученным значениям 1 и 2 определяют мертвое время , по формуле 2 11 Режим счета фотонов с использованием ЛФД может также осуществляться при помощи схемы пассивного гашения лавины 1. В этом случае последовательно с ЛФД подключается нагрузочный резистор. На фотодиод через нагрузочный резистор подается напряжение обратного смещения см, превышающее напряжение пробоя ЛФД пр. При таком напряжении смещения через фотодиод протекают импульсы тока, обусловленные возникновением локальных каналов пробоя перехода - микроплазм. Микроплазменный характер пробоя является следствием неоднородности электрического поля в полупроводниковой структуре. Микроплазменный пробой может инициироваться носителями заряда, образованными под действием фотонов оптического излучения или вследствие термогенерации. В момент возникновения пробоя ток, протекающий через ЛФД, резко увеличивается. Одновременно с этим увеличивается падение напряжения на нагрузочном резисторе, что приводит к уменьшению напряжения на ЛФД и гашению пробоя. При этом на нагрузочном резисторе формируется одноквантовый импульс напряжения. Такой импульс соответствует одному термогенерированному носителю заряда или одному носителю заряда, образованному при поглощении фотона. ЛФД способен зарегистрировать следующий фотон только тогда, когда восстановится напряжение смещения смпр. Время восстановления в этом случае и определяет мертвое время ЛФД. Причем длительность мертвого времени не зависит от того, каким - термо- или фотогенерированным - носителем заряда вызван одноквантовый импульс. 3 15846 1 2012.04.30 Одноквантовые импульсы, выделенные на сопротивлении нагрузки, усиливаются и проходят амплитудную селекцию, а после подсчитываются. Другим способом реализации режима счета фотонов при помощи ЛФД является активное гашение лавины. В этом способе выполняются действия, аналогичные действиям в случае пассивного гашения лавины до подсчета импульсов. После амплитудной селекции импульсов в способе активного гашения лавины выполняют формирование стробирующего импульса длительностью . Одновременно со стробирующим импульсом формируют импульс гашения длительностью а. При помощи импульса гашения понижают напряжение обратного смещения ЛФД ниже пр за счет увеличения падения напряжения на нагрузочном резисторе и уменьшения - на ЛФД, в результате чего лавинный пробой ЛФД прекращается. Стробирующий импульс прерывает амплитудную селекцию на время . Это необходимо для того, чтобы в электронной схеме регистрации импульсов не возникла генерация изза наличия положительной обратной связи. При активном гашении лавины выполняют подсчет гасящих импульсов, количество которых пропорционально интенсивности регистрируемого оптического излучения. Согласно работе 4, лавинные фотодиоды, включенные по схеме пассивного гашения лавины, имеют мертвое время п продлевающегося типа. Мертвое время ЛФД, включенного по схеме активного гашения лавины, является постоянным и определяется длительностью импульса гашения, а мертвое время самой электрической схемы - длительностью стробирующего импульса . Длительность гасящего импульса можно задать при помощи аппаратных средств. Поэтому длительность мертвого времени в схеме активного гашения лавины постоянна и известна. Неизвестным может быть мертвое время ЛФД при включении его по схеме пассивного гашения лавины, так как оно определяется характеристиками самого фотодиода и элементами схемы, подключенными к нему. Если бы мертвое время ЛФД равнялось нулю, то за время измеренияможно было бы зарегистрироватьодноквантовых и темновых импульсов. Поскольку ЛФД имеет мертвое время, отличающееся от нуля, то число импульсов, сформировавшихся на его выходе за время , будет меньше, чем . Число импульсовдля мертвого времени постоянного типа (активное гашение лавины) можно определить по формуле 1 где 1 - число импульсов, сформировавшихся на выходе схемы активного гашения за время . Для продлевающегося типа (пассивное гашение лавины)22,(2) где 2 - число импульсов, сформировавшихся на выходе ЛФД за время . Включим сначала ЛФД по схеме активного гашения лавины и выполним подсчет числа темновых импульсов 1 за время . После, не изменяя напряжения обратного смещения ЛФД, выполним измерение количества темновых импульсов 2 за времяпри включении ЛФД по схеме пассивного гашения лавины. Поскольку число термогенерированных носителей заряда за времяодинаково как в случае активного, так и пассивного гашения лавины, то можно записать следующее уравнение 122. Из (3) можно найти мертвое время лавинного фотодиода, включенного по схеме пассивного гашения лавины Подставляя измеренные значения 1, 2 и известное значениев формулу (4), определяем мертвое время для ЛФД, включенного по схеме пассивного гашения лавины. На фигуре показана схема устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ. Устройство включает в себя источник питания лавинного фотодиода 1, лавинный фотодиод 2, усилитель 3, амплитудный дискриминатор 4, два ждущих мультивибратора 5 и 6, счетчик импульсов 7, транзистор 8, резисторы 1, 2, ключи 1, 2, 3, 4 и 5. Перед началом работы устройства ключи 1, 2 и 3 находятся в замкнутом состоянии, ключи 4 и 5 - в разомкнутом. На коллектор транзистора 8 подается положительный потенциал. Транзистор 8 находится в закрытом состоянии. На ЛФД не поступает оптическое излучение. Источник питания 1 подает напряжение обратного смещения на ЛФД, превышающее его напряжение пробоя. При протекании электрического тока лавинного пробоя ЛФД, инициированного термогенерированными носителями заряда, на резисторе 1 формируются импульсы напряжения. Эти импульсы усиливаются усилителем 3. Затем при помощи дискриминатора 4 осуществляется их амплитудная селекция, после чего мультивибратор 5 формирует из них импульсы стробирования длительностьюкаждый. Эти импульсы поступают на стробирующий вход 2 дискриминатора 4 и на вход мультивибратора 6. Одновременно на выходе мультивибратора 6 формируются гасящие импульсы длительностью каждого из них а. Гасящие импульсы переводят в открытое состояние транзистор 8 и подсчитываются счетчиком 7. При открытии транзистора 8 через него начинает протекать электрический ток, который создает падение напряжения на резисторе 2 и уменьшает напряжение обратного смещения ЛФД, при этом см становиться меньше пр и лавинный пробой фотодиода прекращается. Импульс стробирования отключает дискриминатор на времяа. Это необходимо для того, чтобы в устройстве не возникла генерация из-за существования положительной обратной связи. Поэтому устройство не будет регистрировать никакие импульсы в течение времени . Подсчет гасящих импульсов выполняется в течение времени измерения . По окончании измерений определяют количество импульсов 1, накопленных в счетчике 7. Затем обнуляют счетчик 7, размыкают ключи 1, 2, 3 и замыкают 4, 5. Транзистор 8 находится в закрытом состоянии, так как на его базу подается нулевой потенциал. На ЛФД не поступает оптическое излучение. Источник питания 1 подает напряжение обратного смещения на ЛФД, превышающее его напряжение пробоя. На резисторе 1 формируются импульсы напряжения вследствие протекания тока лавинного пробоя ЛФД,инициированного термогенерированными носителями заряда. Эти импульсы усиливаются усилителем 3. Затем при помощи дискриминатора 4 осуществляется их амплитудная селекция, после чего выполняется их подсчет в счетчике 7 в течение времени измерения . По окончании измерения определяют количество импульсов 2, накопленных в счетчике 7. По полученным значениям 1, 2 и заданной длительностипо формуле (4) определяют мертвое время ЛФД при пассивном гашении лавины . Таким образом, предлагаемый способ упрощает измерение мертвого времени лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, за счет исключения внешнего источника оптического излучения из процесса измерения и позволяет расширить возможности способа активного гашения. 1. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск Университетское, 1989. - С. 113-114. 2. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М. Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - С. 212-223. 3. Зеневич А.О., Новиков Е.В. // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. - 2006.1(13). - С. 27-31. 4. Гулаков И.Р., Залесский В.Б., Зеневич А.О., Леонова Т.Р.// Приборы и техника эксперимента. - 2007. -2. - С. 112-115. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.