1、硅光電探測器光譜響應(yīng)度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置張建民林延?xùn)|邵晶樊其明(中國計量科學(xué)研究院，北京100013摘要本文介紹了硅光電探測器光譜響應(yīng)度測量的原理和裝置，描述了相對和絕對光譜響應(yīng)度標(biāo)定方法，詳細分析了引起標(biāo)定誤差的因素和誤差合成，簡要分析了國際比對結(jié)果。本裝置的波長范圍為3001000nm，相對光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.21%0.86%，絕對光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.25%0.87%。關(guān)鍵詞：光電探測器相對光譜響應(yīng)度絕對光譜響應(yīng)度硅半導(dǎo)體材料和硅光電器件工藝的發(fā)展，使硅光電探測器的靈敏度、溫度系數(shù)、表面均勻性和穩(wěn)定性等都達到了相當(dāng)完善的程度。它已經(jīng)在光學(xué)測量方面成為普遍采用的傳感器，在光度、色度

2、、光譜輻射和激光輻射等精密光學(xué)測量領(lǐng)域尤其受到重視。幾乎在所有的測量中均要求精確測定它的光譜響應(yīng)度，因此，建立硅光電探測器的光譜響應(yīng)度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置是十分必要的1，2。1測量原理光電探測器的光譜響應(yīng)度分為絕對的和相對的兩類3。絕對光譜響應(yīng)度又分為輻通量響應(yīng)度和輻照度響應(yīng)度。絕對光譜輻通量響應(yīng)度定義為：在規(guī)定的波長上，光電探測器輸出的短路電流I(與入射到該探測器的輻通量(功率之比：絕對光譜輻照度響應(yīng)度RE(定義為：在規(guī)定的波長上，光電探測器輸出的短路電流I(與照射到該探測器表面的輻照度E(之比：相對光譜響應(yīng)度R(系指絕對光譜響應(yīng)度在某一特定波長0上進行歸一化的光譜響應(yīng)度：硅光電探測器光譜響應(yīng)度的測

3、量和標(biāo)定分兩步進行：首先，在光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)裝置上，通過與無光譜選擇性參考探測器的比較，標(biāo)定相對光譜響應(yīng)度；然后在相同裝置上，通過與陷阱二極管保存的激光功率標(biāo)準(zhǔn)的比較，標(biāo)定絕對光譜響應(yīng)度。1.1硅光電探測器光譜響應(yīng)度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置在此裝置上既能標(biāo)定硅光電探測器的相對光譜響應(yīng)度，又能標(biāo)定絕對光譜響應(yīng)度。裝置的光路圖如圖1所示，用溴鎢燈做輻射源L1，其色溫在30003200K，由凹面反射鏡M1將L1的燈絲成像在棱鏡-光柵雙單色儀Mn的入射狹縫上。色散后，輻射在光闌B1上，再經(jīng)過反射鏡M2和M3，在參考探測器Dr或被測探測器Ds上形成B1的像S1，放大倍數(shù)調(diào)整到11，光斑直徑約為5mm。S1的像前安放有

4、分束器Bs，約有70%的光透過，30%反射。并在輔助探測器Ds前也形成11的像S2，以消除光束不穩(wěn)定和光束不對稱造成的誤差。在單色儀Mn的入射狹縫前安放有調(diào)制器Ch和限制進入單色儀孔徑的光闌B2，用以減少雜散輻射和調(diào)整孔徑角，光束發(fā)散角(全角為F/6.8。光路中安放有電快門Sw，供測量暗電流使用。圖1硅光電探測器光譜響應(yīng)度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置光路圖絕對定標(biāo)可以應(yīng)用單色儀輸出的單色輻射做輻射源，它定標(biāo)方便，但有信號弱等缺點。也可應(yīng)用消除偏振光的強激光做輻射源，這時由激光器L2做輻射源，輻射進入積分球I，在積分球出射口可形成均勻的、帶寬很窄的非相干單色輻射源，輻射通過可移動反射鏡M4和其它光學(xué)系統(tǒng)在S1處

5、形成相應(yīng)的像。由于輻照度均勻，即使探測器表面響應(yīng)度不夠均勻，也只帶來很小的誤差。對輻射源進行斬波調(diào)制，輔助、標(biāo)準(zhǔn)和被測探測器的光電信號均經(jīng)I/V變換后送入鎖相放大器放大。用微計算機進行自動控制、數(shù)據(jù)采集、計算和處理，全部過程實現(xiàn)自動化。1.2無光譜選擇性參考探測器參考探測器采用電校準(zhǔn)熱釋電功率計，該儀器雖能直接測量輻通量和輻照度，但是由于誤差大，只用它做相對光譜響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的參考探測器，而用陷阱二極管保存的激光小功率標(biāo)準(zhǔn)做絕對定標(biāo)。圖2測量金黑吸收系數(shù)的示意圖熱釋電探測器的表面雖有金黑吸收層，其吸收系數(shù)基本上與波長無關(guān)，但在3001200nm波長范圍內(nèi)約有0.2%0.6%的反射，隨波長而異。為驗證

6、該項誤差以及得到修正系數(shù)，我們做了如圖2所示的實驗。首先，在圖1的標(biāo)定裝置像平面S1處放置一個帶 5mm中心孔的大面積硅探測器。接收面背向輻射的入射方向，讓由單色儀出來的單色輻射通過中心孔照在一個已知反射比s(的標(biāo)準(zhǔn)白板上，白板和探測器之間加一個 8mm光闌，白板的反射部分由帶中心孔的大面積硅探測器測量，得到讀數(shù)Is；然后再換上做參考用的熱釋電探測器，二者光闌的大小、光闌的反射比等條件相同，在大面積硅探測器上又得到一個讀數(shù)It，則熱釋電探測器表面反射比t(為：這種方法很簡便。測得結(jié)果如圖3所示，與文獻上發(fā)表過的數(shù)據(jù)接近。熱釋電探測器的吸收系數(shù)經(jīng)修正后，剩余誤差為±0.15%。圖3熱釋

7、電探測器表面反射比2誤差考察與評估2.1參考探測器修正吸收系數(shù)之后的殘差此項誤差為±0.15%。2.2單色儀帶寬誤差當(dāng)參考探測器和被標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)的斜率不同時，單色儀帶寬會引進誤差。該誤差可通過反卷積的數(shù)學(xué)方法進行很好的修正，但處理繁瑣，常出現(xiàn)病態(tài)方程。該誤差又不大，因此在很窄的帶寬內(nèi)對探測器的光譜響應(yīng)、單色儀的狹縫函數(shù)、光源的輻射分布都作線性化處理，得到修正系數(shù)如下：K(=1-Ks(B(2/6(6其中：Ks(為探測器的相對光譜響應(yīng)的斜率；B(為光源的輻射分布斜率；為單色儀帶寬的半寬度。對標(biāo)準(zhǔn)探測器的計算結(jié)果，引進誤差為±0.05%。2.3光電測量部分的非線性本裝

8、置對輻射源進行調(diào)制，并用鎖相放大器進行測量，減小了雜散光的影響，提高了測量精度。但鎖相放大器有可能引進非線性誤差。用雙孔徑法對帶硅光電二極管的鎖相放大器進行測量，其非線性誤差為±0.1%。最近又用雙光束法對帶硅光電二極管的鎖相放大器和熱釋電功率計進行測量，其非線性誤差在所應(yīng)用的范圍內(nèi)為±0.1%。2.4探測器溫度系數(shù)的影響硅探測器的溫度系數(shù)在大部分波長雖然很小，但在紅外卻是不可忽略的，這里測量了硅光電二極管的溫度系數(shù)，除在9501000nm略大于手冊給出的值外，其余均和手冊符合。如對標(biāo)準(zhǔn)探測器和輔助探測器進行恒溫控制，溫度不穩(wěn)定性為±0.1°C，則所引起

9、的誤差為：波長300950nm段誤差0.02%；9501000nm段0.05%；10001100nm段0.1%；2.5波長引起的誤差和修正單色儀的準(zhǔn)確度經(jīng)過對汞燈的546.1nm、1014.0nm和He-Ne激光633nm波長的標(biāo)定，波長誤差為±0.2nm。對光譜響應(yīng)度的影響為：波長300nm處誤差為0.03%；350nm處0.07%；400nm處0.1%；450950nm段0.05%；10001100nm段0.2%。2.6時間常數(shù)誤差熱釋電功率計在慢速檔位的時間常數(shù)為18秒。硅光電二極管時間常數(shù)雖很小，但是鎖相放大器一般用1秒的時間常數(shù)。在測量中，均在78倍的時間常數(shù)后測量，此項誤

10、差為0.05%。2.7雜散輻射帶來的誤差試驗中發(fā)現(xiàn)，用截止濾光片法測量雙單色儀的雜散輻射，在460nm處測量，其雜散光在10-5以下，大于此波長的雜散輻射應(yīng)該更小，因此可忽略此項誤差。通帶外的雜散輻射，因采用了調(diào)制鎖相方法測量，影響也很小，用移動快門的方法檢查，未發(fā)現(xiàn)測量隨機誤差以上的影響。2.8偏振影響由于硅光電二極管的窗口為石英玻璃，又由于光路中有分光系統(tǒng)和分束器，可能會造成偏振誤差。為減少這種誤差，分束器使用蒸鋁金屬膜，讓其保持與光軸的夾角盡量小，用替代法消除偏振帶來的影響。經(jīng)在0°、45°和90°等不同放置角度的同一探測器實驗，未發(fā)現(xiàn)太大的影響。2.9輻射

11、源和探測器表面均勻性影響這項誤差是不可忽略的，可先測量探測器響應(yīng)的面均勻性S(x,y,和輻射源輻照度分布E(x,y,，然后用下式修正：測量雖很簡單，但是怎樣修正和估計誤差卻是很難的，由于每次裝調(diào)探測器的位置不同，上式的S、E函數(shù)就不同，因此很難做到準(zhǔn)確的修正。我們用重復(fù)裝調(diào)的方法得出該項誤差為±0.2%±0.52%。2.10暗電流和漂移的影響由于采用鎖相放大器進行調(diào)制輻射測量，硅光電二極管的暗電流和漂移影響很小。對漂移大的熱釋電功率計，則采用扣除暗電流(勢的方法處理。2.11絕對定標(biāo)引入的附加誤差除基準(zhǔn)探測器具有0.1%的誤差外，還有基準(zhǔn)探測器過渡到被測探測器的隨機誤差，兩

12、項合成，對于絕對光譜響應(yīng)引入±0.14%的附加誤差。2.12綜合誤差(如表1所示）3測量結(jié)果的旁證國際計量局(BIPM于1993年組織了一次硅光電二極管光譜響應(yīng)的國際比對，共有18個國家參加，我們也參加了，所得數(shù)據(jù)對我們建立的標(biāo)準(zhǔn)是有力的旁證。比對結(jié)果表明，我們的相對光譜響應(yīng)符合的很好，與BIPM的比值在4001200nm符合在±0.8%，比值是短波大、長波小4。 其它國家與BIPM的比值也是如此，考慮這個因素，我們和幾個先進國家符合在±0.4%之內(nèi)，這在我們的標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍之內(nèi)。絕對響應(yīng)值比多數(shù)國家平均值高約4%，經(jīng)理論分析與實驗驗證發(fā)現(xiàn)，激光束在探測器窗口上的

13、干涉效應(yīng)是產(chǎn)生這種差別的主要原因5。4結(jié)論本裝置的波長范圍為3001100nm，相對光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.21%0.86%，絕對光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.25%0.87%。該裝置將進一步改進，爭取達到0.1%的不確定度。表1綜合誤差表波長(nm參吸考收探系測數(shù)器(%帶寬誤差(%非線性影響(%溫度系數(shù)(%時間常數(shù)(%波長影響(%測不量確平定均度值(%裝調(diào)不重復(fù)(%B類(%A類(%合不成確標(biāo)定準(zhǔn)度(%2.5Uc(%B類B類B類A類B類B類A類B類3000.10.050.10.020.050.030.830.50.570.830.862.153500.10.050.10.020.050.07

14、0.400.50.580.400.461.164000.10.050.10.020.050.100.400.40.500.400.451.124500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.535000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.535500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.536000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.536500.10.050.10.020.050.050.160.20.350

15、.160.210.537000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.537500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.538000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.538500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.539000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.539500.10.050.10.050.050.050.160.20.350.170.220.541

16、0000.10.050.10.050.050.200.160.30.460.170.250.6210500.10.050.10.100.050.200.160.30.460.190.260.6611000.10.050.10.100.050.200.160.30.460.190.260.66 參考文獻1Corrons A, Zalewski E. Detector Spectral Response from 350 to 1200nm using a Monochromator based Spectral Comparator. NBS TN 988, 19782Sopori B L. A

17、 Spectral Response Measurement System for Large-area Solar Cells. Solar Cells, 1987, 22(4: 2872943Determination of the Spectral Responsivity of Optical Radiation Detectors. CIE TC2.2 (CIE 技術(shù)報告，19844李在清.我國光輻射計量學(xué)的發(fā)展.照明工程學(xué)報，1995，6(3：57675張建民，郭正強，李在清.窗口對硅光電二極管表面的均勻性的影響.見：第六屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)討論會論文(摘要集，74-75.中國光學(xué)學(xué)

18、會光學(xué)測試專業(yè)委員會，1995年9月A Standard Facility for Spectral Response Measurementof Silicon PhotodiodesZhang Jianmin, Lin Yandong, Shao Jing, Fan Qiming(National Institute of Metrology, Beijing 100013AbstractA standard facility and principle for spectral response measurement of silicon photodiodes are introduced. The c