概述

        光电二极管是一种将光转换为电流的半导体器件,在p(正)和n (负)层之间,存在一个本征层。光电二极管接受光能作为输入以产生电流。光电二极管也被称为光电探测器、光电传感器或光探测器,常见的有光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增管(SiPM/MPPC)。

图：探测器的分类

        光电二极管(PIN)也称PIN结二极管,在光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的I型半导体,就可以增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic)半导体,故称l层,因此这种结构成为PIN光电二极管;

        雪崩光电二极管(APD)是一种具有内部增益的光电二极管,其原理类似于光电倍增管。在加上一个较高的反向偏置电压后(在硅材料中一般为100-200V),利用电离碰撞(雪崩击穿)效应,可在APD中获得一个大约100的内部电流增益;

        单光子雪崩二极管(SPAD)是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管,工作在盖革模式下的APD(Avalanche Photon Diode)。应用于拉曼光谱、正电子发射断层扫描和荧光寿命成像等领域;

        硅光电倍增管(SiPM)是一种由工作于雪崩击穿电压之上和具有雪崩猝灭机制的雪崩光电二极管阵列并联构成的,具有较好的光子数分辨和单光子探测灵敏度的硅基弱光探测器,具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。

图：光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增管(SiPM/MPPC)

        PIN光电二极管没有倍增效果,常常应用在短距离的探测领域。APD雪崩光电二极管技术较为成熟,是使用最为广泛的光电探测器件。目前APD的典型增益是10-100倍,在进行远距离测试时需大幅提高光源光强才能确保APD有信号。SPAD单光子雪崩二极管和SiPM/MPPC硅光电倍增管主要是为了解决增益能力和大尺寸阵列的实现而存在:

        1)SPAD或者SiPM/MPPC是工作在盖革模式下的APD，可以获得几十倍到几千倍的增益,但系统成本与电路成本均较高;

        2)SiPM/MPPC是多个SPAD的阵列形式,可通过多个SPAD获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术,具备规模量产的成本优势。此外,由于SiPM工作电压大多低于30V,不需要高压系统,易于与主流电子系统集成,内部的增益也使SiPM对后端读出电路的要求更简单。目前,SiPM广泛应用于医疗仪器、激光探测与测量(LiDAR)、精密分析、辐射监测、安全检测等领域,随着SiPM的不断发展将拓展至更多的领域。

表：SiPM/MPPC、SPAD、APD、PIN-PD探测器参数对比

光电探测器光电测试

        光电探测器一般需要先对晶圆进行测试,封装后再对器件进行二次测试,完成最终的特性分析和分拣操作;光电探测器在工作时,需要施加反向偏置电压来拉开光注入产生的电子空穴对,从而完成光生载流子过程,因此光电探测器通常在反向状态工作;测试时比较关注暗电流、反向击穿电压、结电容、响应度、串扰等参数。

利用数字源表进行光电探测器光电性能表征

        实施光电性能参数表征分析的最佳工具之一是数字源表(SMU)。数字源表作为独立的电压源或电流源,可输出恒压、恒流、或者脉冲信号,还可以当作表,进行电压或者电流测量;支持Trig触发,可实现多台仪表联动工作;针对光电探测器单个样品测试以及多样品验证测试,可直接通过单台数字源表、多台数字源表或插卡式源表搭建完整的测试方案。

9001jcc金沙以诚为本数字源表搭建光电探测器光电测试方案

暗电流

        暗电流是PIN /APD管在没有光照的情况下,增加一定反置偏压形成的电流;它的本质是由PIN/APD本身的结构属性产生的,其大小通常为uA级以下。测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列或P系列源表,S系列源表最小电流100pA,P系列源表最小电流10pA。

反向击穿电压

外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。根据器件的规格不同,其耐压指标也不一致,测试所需的仪表也不同,击穿电压在300V以下推荐使用S系列台式源表或P系列脉冲源表,其最大电压300v,击穿电压在300V以上的器件推荐使用E系列,最大电压3500V。

C-V测试

        结电容是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有很大影响。光电传感器需要注意的是,PN结面积大的二极管结体积也越大,也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容,增大响应速度;光电二极管C-V测试方案由S系列源表、LCR、测试夹具盒以及上位机软件组成。

响应度

        光电二极管的响应度定义为在规定波长和反向偏压下,产生的光电流(IP)和入射光功率(Pin)之比,单位通常为A/W。响应度与量子效率的大小有关,为量子效率的外在体现,响应度R=lP/Pino测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列或P系列源表,S系列源表最小电流100pA,P系列源表最小电流10pA。

光串扰测试(Crosstalk)

        在激光雷达领域,不同线数的激光雷达产品所使用的光电探测器数量不同,各光电探测器之间的间隔也非常小,在使用过程中多个感光器件同时工作时就会存在相互的光串扰,而光串扰的存在会严重影响激光雷达的性能。

        光串扰有两种形式:一种在阵列的光电探测器上方以较大角度入射的光在被该光电探测器完全吸收前进入相邻的光电探测器并被吸收;二是大角度入射光有一部分没有入射到感光区,而是入射到光电探测器间的互联层并经反射进入相邻器件的感光区。

图：串扰产生机理示意图

        阵列探测器光串扰测试主要是进行阵列直流串扰测试,是指在规定的反向偏压、波长和光功率下,阵列二极管中光照单元的光电流与任意一个相邻单元光电流之比的最大值。测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列、P系列或者CS系列多通道测试方案。

S/P系列源表测试方案

CS系列多通道测试方案

        该方案主要由CS1003c/ cS1010C主机和CS100/CS400子卡组成,具有通道密度高、同步触发功能强、多设备组合效率高等特点。

        CS1003C/CS1010C:采用自定义框架,背板总线带宽高达3Gbps,支持16路触发总线,满足多卡设备高速率通信的需求,CS1003C拥有最高容纳3子卡的插槽,CS1010C拥有最高容纳10子卡的插槽。

        CS100子卡:为单卡单通道子卡,具备四象限工作能力,最大电压300v,最小电流100pA,输出精度达到0.1%,最大功率为30W;配合CS1010主机最多能搭建10个测试通道。

        CS400子卡:为单卡四通道字卡，卡内4通道共地，最大电压10V,最大电流200mA,输出精度达到0.1%，单通道最大功率2W;配合CS1010主机最多能搭建40个测试通道。

光耦(OC)电性能测试方案

        光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光―电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。

        由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力,所以它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

对于光耦器件,其主要电性能表征参数有:正向电压VF、反向电流lR、输入端电容CIN、发射极-集电极击穿电压BVcEo、电流转换比CTR等。

正向电压VF

        VF是指在给定的工作电流下,LED本身的压降。常见的小功率LED通常以mA电流来测试正向工作电压。测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列或P系列源表。

反向漏电流lR

        通常指在最大反向电压情况下,流过光电二极管的反向电流,通常反向漏电流在nA级别.测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列或P系列源表,由于源表具备四象限工作的能力，可以输出负电压,无需调整电路。当测量低电平电流(<1uA)时,推荐使用三同轴连接器和三同轴电缆。

发射极-集电极击穿电压BVCEO

        是指在输入端开路的条件下,增加集电极-发射级电压过程中使输出电流开始剧增时的VCEO值。

        根据器件的规格不同,其耐压指标也不一致,测试所需的仪表也不同,击穿电压在300V以下推荐使用S系列台式源表或P系列脉冲源表,其最大电压300V,击穿电压在300V以上的器件推荐使用E系列,最大电压3500V。

电流转换比CTR

        电流转换比CTR(Current Transfer Radio),输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比为电流转换比CTR。测试时推荐使用9001jcc金沙以诚为本S系列或P系列源表。

隔离电压

        光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。通常隔离电压较高,需要大电压设备进行测试,推荐E系列源表,最大电压3500V。

隔离电容Cf

        隔离电容Cr指光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。测试方案由S系列源表、数字电桥、测试夹具盒以及上位机软件组成。

总结

        武汉9001jcc金沙以诚为本一直专注于半导体的电性能测试仪表开发,基于核心算法和系统集成等技术平台优势,率先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、窄脉冲源表、集成插卡式源表等产品,广泛应用在半导体器件材料的分析测试领域。能够根据用户的需求搭配出最高效、最具性价比的半导体测试方案。

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