概述

        光電二極管是一種將光轉換為電流的半導體器件,在p(正)和n (負)層之間,存在一個本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產生電流。光電二極管也被稱為光電探測器、光電傳感器或光探測器,常見的有光電二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)、硅光電倍增管(SiPM/MPPC)。

圖：探測器的分類

        光電二極管(PIN)也稱PIN結二極管,在光電二極管的PN結中間摻入一層濃度很低的I型半導體,就可以增大耗盡區的寬度,達到減小擴散運動的影響,提高響應速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低,近乎本征(Intrinsic)半導體,故稱l層,因此這種結構成為PIN光電二極管;

        雪崩光電二極管(APD)是一種具有內部增益的光電二極管,其原理類似于光電倍增管。在加上一個較高的反向偏置電壓后(在硅材料中一般為100-200V),利用電離碰撞(雪崩擊穿)效應,可在APD中獲得一個大約100的內部電流增益;

        單光子雪崩二極管(SPAD)是一種具有單光子探測能力的光電探測雪崩二極管,工作在蓋革模式下的APD(Avalanche Photon Diode)。應用于拉曼光譜、正電子發射斷層掃描和熒光壽命成像等領域;

        硅光電倍增管(SiPM)是一種由工作于雪崩擊穿電壓之上和具有雪崩猝滅機制的雪崩光電二極管陣列并聯構成的,具有較好的光子數分辨和單光子探測靈敏度的硅基弱光探測器,具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、結構緊湊等特點。

圖：光電二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)、硅光電倍增管(SiPM/MPPC)

        PIN光電二極管沒有倍增效果,常常應用在短距離的探測領域。APD雪崩光電二極管技術較為成熟,是使用最為廣泛的光電探測器件。目前APD的典型增益是10-100倍,在進行遠距離測試時需大幅提高光源光強才能確保APD有信號。SPAD單光子雪崩二極管和SiPM/MPPC硅光電倍增管主要是為了解決增益能力和大尺寸陣列的實現而存在:

        1)SPAD或者SiPM/MPPC是工作在蓋革模式下的APD，可以獲得幾十倍到幾千倍的增益,但系統成本與電路成本均較高;

        2)SiPM/MPPC是多個SPAD的陣列形式,可通過多個SPAD獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用,更容易集成CMOS技術,具備規模量產的成本優勢。此外,由于SiPM工作電壓大多低于30V,不需要高壓系統,易于與主流電子系統集成,內部的增益也使SiPM對后端讀出電路的要求更簡單。目前,SiPM廣泛應用于醫療儀器、激光探測與測量(LiDAR)、精密分析、輻射監測、安全檢測等領域,隨著SiPM的不斷發展將拓展至更多的領域。

表：SiPM/MPPC、SPAD、APD、PIN-PD探測器參數對比

光電探測器光電測試

        光電探測器一般需要先對晶圓進行測試,封裝后再對器件進行二次測試,完成最終的特性分析和分揀操作;光電探測器在工作時,需要施加反向偏置電壓來拉開光注入產生的電子空穴對,從而完成光生載流子過程,因此光電探測器通常在反向狀態工作;測試時比較關注暗電流、反向擊穿電壓、結電容、響應度、串擾等參數。

利用數字源表進行光電探測器光電性能表征

        實施光電性能參數表征分析的最佳工具之一是數字源表(SMU)。數字源表作為獨立的電壓源或電流源,可輸出恒壓、恒流、或者脈沖信號,還可以當作表,進行電壓或者電流測量;支持Trig觸發,可實現多臺儀表聯動工作;針對光電探測器單個樣品測試以及多樣品驗證測試,可直接通過單臺數字源表、多臺數字源表或插卡式源表搭建完整的測試方案。

普賽斯數字源表搭建光電探測器光電測試方案

暗電流

        暗電流是PIN /APD管在沒有光照的情況下,增加一定反置偏壓形成的電流;它的本質是由PIN/APD本身的結構屬性產生的,其大小通常為uA級以下。測試時推薦使用普賽斯S系列或P系列源表,S系列源表最小電流100pA,P系列源表最小電流10pA。

反向擊穿電壓

外加反向電壓超過某一數值時,反向電流會突然增大,這種現象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。根據器件的規格不同,其耐壓指標也不一致,測試所需的儀表也不同,擊穿電壓在300V以下推薦使用S系列臺式源表或P系列脈沖源表,其最大電壓300v,擊穿電壓在300V以上的器件推薦使用E系列,最大電壓3500V。

C-V測試

        結電容是光電二極管的一個重要性質,對光電二極管的帶寬和響應有很大影響。光電傳感器需要注意的是,PN結面積大的二極管結體積也越大,也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應用中,結的耗盡區寬度增加，會有效地減小結電容,增大響應速度;光電二極管C-V測試方案由S系列源表、LCR、測試夾具盒以及上位機軟件組成。

響應度

        光電二極管的響應度定義為在規定波長和反向偏壓下,產生的光電流(IP)和入射光功率(Pin)之比,單位通常為A/W。響應度與量子效率的大小有關,為量子效率的外在體現,響應度R=lP/Pino測試時推薦使用普賽斯S系列或P系列源表,S系列源表最小電流100pA,P系列源表最小電流10pA。

光串擾測試(Crosstalk)

        在激光雷達領域,不同線數的激光雷達產品所使用的光電探測器數量不同,各光電探測器之間的間隔也非常小,在使用過程中多個感光器件同時工作時就會存在相互的光串擾,而光串擾的存在會嚴重影響激光雷達的性能。

        光串擾有兩種形式:一種在陣列的光電探測器上方以較大角度入射的光在被該光電探測器完全吸收前進入相鄰的光電探測器并被吸收;二是大角度入射光有一部分沒有入射到感光區,而是入射到光電探測器間的互聯層并經反射進入相鄰器件的感光區。

圖：串擾產生機理示意圖

        陣列探測器光串擾測試主要是進行陣列直流串擾測試,是指在規定的反向偏壓、波長和光功率下,陣列二極管中光照單元的光電流與任意一個相鄰單元光電流之比的最大值。測試時推薦使用普賽斯S系列、P系列或者CS系列多通道測試方案。

S/P系列源表測試方案

CS系列多通道測試方案

        該方案主要由CS1003c/ cS1010C主機和CS100/CS400子卡組成,具有通道密度高、同步觸發功能強、多設備組合效率高等特點。

        CS1003C/CS1010C:采用自定義框架,背板總線帶寬高達3Gbps,支持16路觸發總線,滿足多卡設備高速率通信的需求,CS1003C擁有最高容納3子卡的插槽,CS1010C擁有最高容納10子卡的插槽。

        CS100子卡:為單卡單通道子卡,具備四象限工作能力,最大電壓300v,最小電流100pA,輸出精度達到0.1%,最大功率為30W;配合CS1010主機最多能搭建10個測試通道。

        CS400子卡:為單卡四通道字卡，卡內4通道共地，最大電壓10V,最大電流200mA,輸出精度達到0.1%，單通道最大功率2W;配合CS1010主機最多能搭建40個測試通道。

光耦(OC)電性能測試方案

        光耦合器(optical coupler,英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件,一般由三部分組成:光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED),使之發出一定波長的光,被光探測器接收而產生光電流,再經過進一步放大后輸出。這就完成了電一光―電的轉換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。

        由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號傳輸具有單向性等特點,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力,所以它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

對于光耦器件,其主要電性能表征參數有:正向電壓VF、反向電流lR、輸入端電容CIN、發射極-集電極擊穿電壓BVcEo、電流轉換比CTR等。

正向電壓VF

        VF是指在給定的工作電流下,LED本身的壓降。常見的小功率LED通常以mA電流來測試正向工作電壓。測試時推薦使用普賽斯S系列或P系列源表。

反向漏電流lR

        通常指在最大反向電壓情況下,流過光電二極管的反向電流,通常反向漏電流在nA級別.測試時推薦使用普賽斯S系列或P系列源表,由于源表具備四象限工作的能力，可以輸出負電壓,無需調整電路。當測量低電平電流(<1uA)時,推薦使用三同軸連接器和三同軸電纜。

發射極-集電極擊穿電壓BVCEO

        是指在輸入端開路的條件下,增加集電極-發射級電壓過程中使輸出電流開始劇增時的VCEO值。

        根據器件的規格不同,其耐壓指標也不一致,測試所需的儀表也不同,擊穿電壓在300V以下推薦使用S系列臺式源表或P系列脈沖源表,其最大電壓300V,擊穿電壓在300V以上的器件推薦使用E系列,最大電壓3500V。

電流轉換比CTR

        電流轉換比CTR(Current Transfer Radio),輸出管的工作電壓為規定值時,輸出電流和發光二極管正向電流之比為電流轉換比CTR。測試時推薦使用普賽斯S系列或P系列源表。

隔離電壓

        光耦合器輸入端和輸出端之間絕緣耐壓值。通常隔離電壓較高,需要大電壓設備進行測試,推薦E系列源表,最大電壓3500V。

隔離電容Cf

        隔離電容Cr指光耦合器件輸入端和輸出端之間的電容值。測試方案由S系列源表、數字電橋、測試夾具盒以及上位機軟件組成。

總結

        武漢普賽斯一直專注于半導體的電性能測試儀表開發,基于核心算法和系統集成等技術平臺優勢,率先自主研發了高精度數字源表、脈沖式源表、窄脈沖源表、集成插卡式源表等產品,廣泛應用在半導體器件材料的分析測試領域。能夠根據用戶的需求搭配出最高效、最具性價比的半導體測試方案。

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