硅光电探测器光谱响应度测量标准装置

张建民　林延东　邵　晶　樊其明

(中国计量科学研究院，北京　100013)

摘要　本文介绍了硅光电探测器光谱响应度测量的原理和装置，描述了相对和绝对光谱响应度标定方法，详细分析了引起标定误差的因素和误差合成，简要分析了国际比对结果。本装置的波长范围为300～1000nm，相对光谱响应的不确定度(1σ)为0.21%～0.86%，绝对光谱响应的不确定度(1σ)为0.25%～0.87%。

opbi关键词：光电探测器　相对光谱响应度　绝对光谱响应度

硅半导体材料和硅光电器件工艺的发展，使硅光电探测器的灵敏度、温度系数、表面均匀性和稳定性等都达到了相当完善的程度。它已经在光学测量方面成为普遍采用的传感器，在光度、度、光谱辐射和激光辐射等精密光学测量领域尤其受到重视。几乎在所有的测量中均要求精确测定它的光谱响应度，因此，建立硅光电探测器的光谱响应度测量标准装置是十分必要的〔1，2〕。

1　测量原理

光电探测器的光谱响应度分为绝对的和相对的两类〔3〕。绝对光谱响应度又分为辐通量响应度和辐照度响应度。

绝对光谱辐通量响应度定义为：在规定的波长λ上，光电探测器输出的短路电流I(λ)与入射到该探测器的辐通量(功率)之比：

绝对光谱辐照度响应度RE(λ)定义为：在规定的波长λ上，光电探测器输出的短路电流I(λ)与照射到该探测器表面的辐照度E(λ)之比：

相对光谱响应度R(λ)系指绝对光谱响应度在某一特定波长λ0上进行归一化的光谱响应度：

硅光电探测器光谱响应度的测量和标定分两步进行：首先，在光谱响应度标准装置上，通过与无光谱选择性参考探测器的比较，标定相对光谱响应度；然后在相同装置上，通过与陷阱二极管保存的激光功率标准的比较，标定绝对光谱响应度。

1.1　硅光电探测器光谱响应度测量标准装置

在此装置上既能标定硅光电探测器的相对光谱响应度，又能标定绝对光谱响应度。装置的光路图如图1所示，用溴钨灯做辐射源L1，其温在3000～3200K，由凹面反射镜M1将L1的灯丝成像在棱镜-光栅双单仪Mn的入射狭缝上。散后，辐射在光阑B1上，再经过反射镜M2和M3，在参考探测器Dr或被测探测器Ds上形成B1的像S1，放大倍数调整到1∶1，光斑直径约为5mm。S1的像前安放有分束器Bs，约有70%的光透过，30%反射。并在辅助探测器Ds前也形成1∶1的像S2，以消除光束不稳定和光束不对称造成的误差。在单仪Mn的入射狭缝前安放有调制器Ch和限制进入单仪孔径的光阑B2，用以减少杂散辐射和调整孔径角，光束发散角(全角)为F/6.8。光路中安放有电快门Sw，供测量暗电流使用。

图1　硅光电探测器光谱响应度测量标准装置光路图

绝对定标可以应用单仪输出的单辐射做辐射源，它定标方便，但有信号弱等缺点。也可应用消除偏振光的强激光做辐射源，这时由激光器L2做辐射源，辐射进入积分球I，在积分球出射口可形成均匀的、带宽很窄的非相干单辐射源，辐射通过可移动反射镜M4和其它光学系统在S1处形成相应的像。由于辐照度均匀，即使探测器表面响应度不够均匀，也只带来很小的误差。

对辐射源进行斩波调制，辅助、标准和被测探测器的光电信号均经I/V变换后送入锁相放大器放大。用微计算机进行自动控制、数据采集、计算和处理，全部过程实现自动化。

1.2　无光谱选择性参考探测器

参考探测器采用电校准热释电功率计，该仪器虽能直接测量辐通量和辐照度，但是由于误差大，只用它做相对光谱响应标准的参考探测器，而用陷阱二极管保存的激光小功率标准做绝对定标。

图2　测量金黑吸收系数的示意图

热释电探测器的表面虽有金黑吸收层，其吸收系数基本上与波长无关，但在300～1200nm波长范围内约有0.2%～0.6%的反射，随波长而异。为验证该项误差以及得到修正系数，我们做了如图2所示的实验。

首先，在图1的标定装置像平面S1处放置一个带 5mm中心孔的大面积硅探测器。接收面背向辐射的入射方向，让由单仪出来的单辐射通过中心孔照在一个已知反射比ρs(λ)的标准白板上，白板和探测器之间加一个 8mm光阑，白板的反射部分由带中心孔的大面积硅探测器测量，得到读数Is；然后再换上做参考用的热释电探测器，二者光阑的大小、光阑的反射比等条件相同，在大面积硅探测器上又得到一个读数It，则热释电探测器表面反射比ρt(λ)为：

这种方法很简便。测得结果如图3所示，与文献上发表过的数据接近。

热释电探测器的吸收系数经修正后，剩余误差为±0.15%。

图3　热释电探测器表面反射比

2　误差考察与评估

2.1　参考探测器修正吸收系数之后的残差

此项误差为±0.15%。

2.2　单仪带宽误差

当参考探测器和被标定标准探测器的光谱响应的斜率不同时，单仪带宽会引进误差。该误差可通过反卷积的数学方法进行很好的修正，但处理繁琐，常出现病态方程。该误差又不大，因此在很窄的带宽内对探测器的光谱响应、单仪的狭缝函数、光源的辐射分布都作线性化处理，得到修正系数如下：

　K(λ)=1-Ks(λ)B(λ)Δ2/6 　(6)

其中：Ks(λ)为探测器的相对光谱响应的斜率；B(λ)为光源的辐射分布斜率；Δ为单仪带宽的半宽度。

对标准探测器的计算结果，引进误差为±0.05%。

2.3　光电测量部分的非线性

本装置对辐射源进行调制，并用锁相放大器进行测量，减小了杂散光的影响，提高了测量精度。但锁相放大器有可能引进非线性误差。用双孔径法对带硅光电二极管的锁相放大器进行测量，其非线性误差为±0.1%。最近又用双光束法对带硅光电二极管的锁相放大器和热释电功率计进行测量，其非线性误差在所应用的范围内为±0.1%。

2.4　探测器温度系数的影响

硅探测器的温度系数在大部分波长虽然很小，但在红外却是不可忽略的，这里测量了硅光电二极管的温度系数，除在950～1000nm略大于手册给出的值外，其余均和手册符合。如对标准探测器和辅助探测器进行恒温控制，温度不稳定性为±0.1°C，则所引起的误差为：波长300～950nm段误差＜0.02%；950～1000nm段＜0.05%；1000～1100nm段＜0.1%；

2.5　波长引起的误差和修正

单仪的准确度经过对汞灯的546.1nm、1014.0nm和He-Ne激光633nm波长的标定，波长误差为±0.2nm。对光谱响应度的影响为：波长300nm处误差为0.03%；350nm处0.07%；400nm处0.1%；450～950nm段0.05%；1000～1100nm段0.2%。

2.6　时间常数误差

热释电功率计在慢速档位的时间常数为18秒。硅光电二极管时间常数虽很小，但是锁相放大器一般用1秒的时间常数。在测量中，均在7～8倍的时间常数后测量，此项误差为0.05%。

2.7　杂散辐射带来的误差

试验中发现，用截止滤光片法测量双单仪的杂散辐射，在460nm处测量，其杂散光在10-5以下，大于此波长的杂散辐射应该更小，因此可忽略此项误差。

通带外的杂散辐射，因采用了调制锁相方法测量，影响也很小，用移动快门的方法检查，未发现测量随机误差以上的影响。

2.8　偏振影响

由于硅光电二极管的窗口为石英玻璃，又由于光路中有分光系统和分束器，可能会造成偏振误差。为减少这种误差，分束器使用蒸铝金属膜，让其保持与光轴的夹角尽量小，用替代法消除偏振带来的影响。经在0°、45°和90°等不同放置角度的同一探测器实验，未发现太大的影响。

2.9　辐射源和探测器表面均匀性影响

这项误差是不可忽略的，可先测量探测器响应的面均匀性S(x,y,λ)和辐射源辐照度分布E(x,y,λ)，然后用下式修正：

测量虽很简单，但是怎样修正和估计误差却是很难的，由于每次装调探测器的位置不同，上式的S、E函数就不同，因此很难做到准确的修正。我们用重复装调的方法得出该项误差为±0.2%～±0.52%。

2.10　暗电流和漂移的影响

由于采用锁相放大器进行调制辐射测量，硅光电二极管的暗电流和漂移影响很小。对漂移大的热释电功率计，则采用扣除暗电流(势)的方法处理。

2.11　绝对定标引入的附加误差

除基准探测器具有0.1%的误差外，还有基准探测器过渡到被测探测器的随机误差，两项合成，对于绝对光谱响应引入±0.14%的附加误差。

2.12　综合误差(如表1所示）

3　测量结果的旁证

国际计量局(BIPM)于1993年组织了一次硅光电二极管光谱响应的国际比对，共有18个国家参加，我们也参加了，所得数据对我们建立的标准是有力的旁证。比对结果表明，我们的相对光谱响应符合的很好，与BIPM的比值在400～1200nm符合在±0.8%，比值是短波大、长波小〔4〕。其它国家与BIPM的比值也是如此，考虑这个因素，我们和几个先进国家符合在±0.4%之内，这在我们的标准的误差范围之内。绝对响应值比多数国家平均值高约4%，经理论分析与实验验证发现，激光束在探测器窗口上的干涉效应是产生这种差别的主要原因〔5〕。

4　结论

本装置的波长范围为300～1100nm，相对光谱响应的不确定度(1σ)为0.21%～0.86%，绝对光谱响应的不确定度(1σ)为0.25%～0.87%。该装置将进一步改进，争取达到0.1%的不确定度。

表1　综合误差表

threadx系统蝶形螺栓

波　　长　 (nm)	参吸考收探系测数器　 (%)	带宽误差　 (%)	非线性影响 (%)	温度系数　 (%)	时间常数　 (%)	波长影响　 (%)	测不量确平定均度值　 (%)	装调不重复 (%)	B 类　 (%)	A 类　 (%)	合不成确网络采集标定准度　 (%)	2.5Uc 　　 (%)
波　　长　 (nm)	B类	B类	B类	A类	B类	B类	A类	B类	B 类　 (%)	A 类　 (%)	合不成确网络采集标定准度　 (%)	2.5Uc 　　 (%)
300	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.03	0.83	0.5	0.57	0.83	0.86	2.15
350	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.07	0.40	0.5	0.58	0.40	0.46	1.16
400	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.10	0.40	0.4	0.50	0.40	0.45	1.12
450	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
500	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
550	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
600	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
650	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
700	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
750	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
800	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
850	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
900	0.1	0.05	0.1	0.02	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.16	0.21	0.53
950	自制锅盖天线0.1	0.05	0.1	0.05	0.05	0.05	0.16	0.2	0.35	0.17	0.22	0.54
1000	0.1	0.05	0.1	0.05	0.05	0.20	0.16	0.3	0.46	0.17	0.25	0.62
1050	0.1	0.05	0.1	0.10	0.05	0.20	0.16	0.3	0.46	0.19	0.26	0.66
1100	0.1	0.05	0.1	0.10	0.05	0.20	0.16	0.3	0.46	0.19	逗号刮刀0.26	0.66

参　考　文　献

　1　Corrons A, Zalewski E. Detector Spectral Response from 350 to 1200nm using a Monochromator based Spectral Comparator. NBS TN 988, 1978

　2　Sopori B L. A Spectral Response Measurement System for Large-area Solar Cells. Solar Cells, 1987, 22(4): 287～294

　3　Determination of the Spectral Responsivity of Optical Radiation Detectors. CIE TC2.2 (CIE 技术报告)，1984

　4　李在清.我国光辐射计量学的发展.照明工程学报，1995，6(3)：57～67

　5　张建民，郭正强，李在清.窗口对硅光电二极管表面的均匀性的影响.见：第六届全国光学测试学术讨论会论文(摘要)集，74-75.中国光学学会光学测试专业委员会，1995年9月

A Standard Facility for Spectral Response Measurement

of Silicon Photodiodes

Zhang Jianmin, Lin Yandong, Shao Jing, Fan Qiming

(National Institute of Metrology, Beijing 100013)

Abstract——A standard facility and principle for spectral response measurement of silicon photodiodes are introduced. The calibration methods of relative spectral responsivity and absolute spectral responsivity are described. The error sources in the calibration are analyzed in some detail. The results of the international comparison on silicon photodiodes spectral responsivity are analyzed briefly. The wavelength range of the facility is 300～1100 nm, and the uncertainty of relative spectral responsivity is 0.21%～0.86%(1σ), and the uncertainty of absolute spectral responsivity is 0.25%～0.87%(1σ).

Key Words: Photoelectric detector; Relative spectral responsivity; Absolute spectral responsivity

本文于1996-10-04收到,1997-08-26修改定稿。

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