УДК 620.1.08.087.4

СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Пашковский А.А., Далечин А.Ю.

У полупроводников, находящихся в возбужденном состоянии, может наблюдаться испускание электромагнитного излучения – люминесценция, которая является процессом обратным поглощению. При фотолюминесценции излучение появляется за счет поглощаемой энергии света. Люминесценция, как любое электромагнитное излучение, характеризуется интенсивностью, спектральным составом, поляризацией, когерентностью и длительностью послесвечения. Экспериментальное решение большинства спектроскопических задач сводится к изучению спектрального состава и яркости излучения, распределения этих величин по поверхности источника и изменения их во времени. Эти исследования проводятся на установках, включающих три основных элемента: спектральный прибор, приемник излучения, измерительное устройство. Спектральный прибор разлагает излучение в спектр, приемник преобразует падающую на него энергию, измерительное устройство позволяет измерить спектральное, пространственное или временное распределение излучения.[1]

С практической точки зрения интерес представляет изучение спектров фотолюминесценции низкоразмерных структур в ближней и дальней ИК области. Разработанная система регистрации спектров фотолюминесценции предназначена для исследования фотолюминесценции в диапазоне длин волн до 1100 нм. Благодаря наличию в составе системы персональной ЭВМ обеспечивается автоматизация процесса измерений. Применение синхронного детектора позволяет избавиться от влияния посторонних засветок и значительно снизить уровень шумов, частота и фаза которых не совпадает с частотой и фазой полезного сигнала.

Система регистрации спектров фотолюминесценции предназначена для автоматического сбора информации о спектральном составе излучения, преобразования ее в цифровую форму и записи на магнитный носитель для хранения и последующей обработки.

Основой системы является монохроматор МДР-2. Он предназначен для выделения узкой спектральной полосы излучения и передачи её на фотоприемник. Поворотом барабана монохроматора добиваются настройки системы на нужный участок спектра. Фотоприемник преобразует падающий поток фотонов в электрический сигнал, который поступает на вход усилителя. Предусмотрена возможность подключения внешнего малошумящего усилителя на полевых транзисторах, что позволяет повысить пороговую чувствительность системы ограниченную шумом. Усиленный сигнал (содержащий как полезную, так и шумовую составляющую) поступает на полосовой фильтр, а затем на синхронный детектор. После детектирования отфильтрованный сигнал поступает на устройство сопряжения с ЭВМ, в котором производится аналогово-цифровое преобразование полезного сигнала.

Блок-схема системы регистрации представлена на рис. 1. В качестве источника возбуждения фотолюминесценции используется He-Ne лазер ЛГ-75. Излучение лазера обладает высокой монохроматичностью, что позволяет исключить попадание его в интересующий спектральный диапазон (ближний ИК). С помощью механического модулятора производится амплитудная модуляция возбуждающего излучения, падающего на исследуемый образец.

Рассеянное образцом излучение лазера вместе собственным фотолюминесцентным излучением образца поступает на входную щель монохроматора. Выделенное монохроматором излучение преобразуется фотодиодом в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя.

Входной усилитель системы позволяет регулировать усиление сигнала в пределах от 20 до 60 дБ, и от 20 до 160 дБ при подключении внешнего предварительного усилителя. Усилитель не усиливает постоянную составляющую сигнала фотодиода благодаря наличию на входе блокирующего конденсатора.

Рис. 1 Блок-схема системы регистрации спектров

Усиленный сигнал поступает на полосовой фильтр, состоящий из фильтров низких и высоких частот. Полоса пропускания фильтра 500 Гц-10кГц. Таким образом, фильтр подавляет наводки от питающей сети и ВЧ помехи от блоков питания лазера и ЭВМ.

Усилитель опорного сигнала системы предназначен для усиления сигнала от вспомогательного фотодиода, освещаемого синхронно с открыванием окон в диске модулятора. Амплитуда возбуждающего излучения лазера и опорного сигнала изменяются синхронно, т.е. опорный сигнал несет информацию о фазе возбуждающего излучения.

Усиленный опорный сигнал поступает на фазовращатель – устройство, вносящее фазовый сдвиг в канал опорного сигнала. Необходимость в таком устройстве обусловлена наличием фазового сдвига в канале основного сигнала, вносимого измерительной системой, а также зависимостью фазы на выходе полосового фильтра от частоты модуляции излучения. Регулировкой фазы опорного сигнала добиваются компенсации разности фаз между опорным и основным сигналом.

Основной и опорный сигналы поступают на синхронный детектор. В детекторе опорный сигнал управляет коэффициентом передачи основного сигнала, меняя его от –1 до +1, т.е. происходит фазочувствительное выпрямление сигнала. Сигнал с выхода детектора поступает на фильтр низких частот, который удаляет из, восстановленного сигнала составляющую с удвоенной частотой модуляции и преобразует пульсирующее напряжение на выходе детектора в сигнал постоянного тока, пропорциональный интенсивности фотолюминесценции изучаемого образца.

Буферный усилитель предназначен для согласования выходного ФНЧ с АЦП устройства сопряжения. Устройство сопряжения с ЭВМ выполняет функции аналогово-цифрового преобразования полезного сигнала для передачи его на ЭВМ. Оно служит буфером для управляющих сигналов, поступающих от компьютера на систему управления разверткой спектра, которая с помощью силовых ключей управляет шаговым двигателем привода развертки спектра. Привод развертки вращает барабан длин волн монохроматора, что обеспечивает настройку на нужный участок спектра.

ЭВМ обеспечивает выполнение программы управляющей системой, выдает управляющие сигналы для привода развертки и преобразует поступающие данные в формат удобный для их дальнейшей обработки или хранения.

Управляющая программа позволяет производить измерения в ручном (пошаговом) или автоматическом режиме. В ручном режиме производится вывод результатов измерений на экран. В автоматическом  режиме – в файл. Предусмотрена возможность установки нуля барабана длин волн. С её помощью добиваются компенсации люфтов механической системы развертки спектра.

Результаты сравнения, построенной системы регистрации спектров фотолюминесценции с традиционным способом позволяют сделать ряд выводов:

1.       Система регистрации имеет меньшие вес и габариты, чем стандартные регистрирующие устройства;

2.       Применение синхронного детектора, полосового фильтра позволило увеличить помехозащищенность системы;

3.       Подключение предварительного усилителя позволяет увеличить отношение сигнал/шум системы и повысить чувствительность и общее усиление;

4.       Использование в составе системы ЭВМ позволило создать гибкую систему с возможностью добавления новых функций путем изменения управляющей программы;

5.       ЭВМ позволяет оперативно производить математическую обработку результатов измерений, и соответственно, корректировать программу эксперимента;

6.       Хранение результатов измерений на магнитном носителе позволяет обеспечить надежность хранения и осуществлять их быстрый поиск и обработку;

7.       Наличие в управляющей программе усредняющего  модуля позволяет избавиться от влияния случайных факторов (электромагнитных помех, нестабильности частоты вращения модулятора, флуктуаций интенсивности лазерного луча) на процесс измерения;

8.       Автоматизация процесса измерения позволила исключить влияние человеческого фактора и повысить точность измерений;

9.       Отсутствие инерционности свойственной механическим регистраторам позволяет наблюдать тонкую структуру спектров фотолюминесценции;

10.   Наличие автоматического режима измерений позволяет ускорить процесс измерений;

11.   Ввиду наличия механического модулятора система оказывает нежелательное шумовое воздействие на оператора. Для устранения нежелательного воздействия необходима замена механического модулятора электронно-оптическим или использование в качестве источника возбуждения полупроводникового лазера, модулируемого электрическими импульсами.

12.   Дальнейшее усовершенствование системы возможно следующими путями:

-                        введение в усилитель с синхронным детектором устройства автоматического захвата фазы опорного сигнала позволит исключить необходимость ручной подстройки фазы сигнала;

-                        увеличение усиления одновременно с уменьшением шумов входного усилителя позволит наблюдать фотолюминесценцию меньшей интенсивности;

-                        дальнейшее совершенствование интерфейса управляющей программы позволит упростить процесс измерения для оператора системы;

-                        Применение в качестве фотоприемника фотодиода из полупроводникового материала с меньшей шириной запрещенной зоны позволит расширить доступный для изучения диапазон длин волн вплоть до 2,5 мкм (ограниченно монохроматором МДР-2).

1.                  Т. Мос, Г. Баррел, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника, перевод с английского под. ред. С.А. Медведева. – М.: Мир, 1976.- 362 с.