概述

        光電二極管是一種將光轉(zhuǎn)換為電流的半導(dǎo)體器件,在p(正)和n (負(fù))層之間,存在一個(gè)本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產(chǎn)生電流。光電二極管也被稱(chēng)為光電探測(cè)器、光電傳感器或光探測(cè)器,常見(jiàn)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(cè)器的分類(lèi)

        光電二極管(PIN)也稱(chēng)PIN結(jié)二極管,在光電二極管的PN結(jié)中間摻入一層濃度很低的I型半導(dǎo)體,就可以增大耗盡區(qū)的寬度,達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響,提高響應(yīng)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(dǎo)體,故稱(chēng)l層,因此這種結(jié)構(gòu)成為PIN光電二極管;

        雪崩光電二極管(APD)是一種具有內(nèi)部增益的光電二極管,其原理類(lèi)似于光電倍增管。在加上一個(gè)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(yīng),可在APD中獲得一個(gè)大約100的內(nèi)部電流增益;

        單光子雪崩二極管(SPAD)是一種具有單光子探測(cè)能力的光電探測(cè)雪崩二極管,工作在蓋革模式下的APD(Avalanche Photon Diode)。應(yīng)用于拉曼光譜、正電子發(fā)射斷層掃描和熒光壽命成像等領(lǐng)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(jī)制的雪崩光電二極管陣列并聯(lián)構(gòu)成的,具有較好的光子數(shù)分辨和單光子探測(cè)靈敏度的硅基弱光探測(cè)器,具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

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(méi)有倍增效果,常常應(yīng)用在短距離的探測(cè)領(lǐng)域。APD雪崩光電二極管技術(shù)較為成熟,是使用最為廣泛的光電探測(cè)器件。目前APD的典型增益是10-100倍,在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)試時(shí)需大幅提高光源光強(qiáng)才能確保APD有信號(hào)。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(shí)現(xiàn)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(tǒng)成本與電路成本均較高;

        2)SiPM/MPPC是多個(gè)SPAD的陣列形式,可通過(guò)多個(gè)SPAD獲得更高的可探測(cè)范圍以及配合陣列光源使用,更容易集成CMOS技術(shù),具備規(guī)模量產(chǎn)的成本優(yōu)勢(shì)。此外,由于SiPM工作電壓大多低于30V,不需要高壓系統(tǒng),易于與主流電子系統(tǒng)集成,內(nèi)部的增益也使SiPM對(duì)后端讀出電路的要求更簡(jiǎn)單。目前,SiPM廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、激光探測(cè)與測(cè)量(LiDAR)、精密分析、輻射監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)等領(lǐng)域,隨著SiPM的不斷發(fā)展將拓展至更多的領(lǐng)域。

表：SiPM/MPPC、SPAD、APD、PIN-PD探測(cè)器參數(shù)對(duì)比

光電探測(cè)器光電測(cè)試

        光電探測(cè)器一般需要先對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試,封裝后再對(duì)器件進(jìn)行二次測(cè)試,完成最終的特性分析和分揀操作;光電探測(cè)器在工作時(shí),需要施加反向偏置電壓來(lái)拉開(kāi)光注入產(chǎn)生的電子空穴對(duì),從而完成光生載流子過(guò)程,因此光電探測(cè)器通常在反向狀態(tài)工作;測(cè)試時(shí)比較關(guān)注暗電流、反向擊穿電壓、結(jié)電容、響應(yīng)度、串?dāng)_等參數(shù)。

利用數(shù)字源表進(jìn)行光電探測(cè)器光電性能表征

        實(shí)施光電性能參數(shù)表征分析的最佳工具之一是數(shù)字源表(SMU)。數(shù)字源表作為獨(dú)立的電壓源或電流源,可輸出恒壓、恒流、或者脈沖信號(hào),還可以當(dāng)作表,進(jìn)行電壓或者電流測(cè)量;支持Trig觸發(fā),可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀表聯(lián)動(dòng)工作;針對(duì)光電探測(cè)器單個(gè)樣品測(cè)試以及多樣品驗(yàn)證測(cè)試,可直接通過(guò)單臺(tái)數(shù)字源表、多臺(tái)數(shù)字源表或插卡式源表搭建完整的測(cè)試方案。

普賽斯數(shù)字源表搭建光電探測(cè)器光電測(cè)試方案

暗電流

        暗電流是PIN /APD管在沒(méi)有光照的情況下,增加一定反置偏壓形成的電流;它的本質(zhì)是由PIN/APD本身的結(jié)構(gòu)屬性產(chǎn)生的,其大小通常為uA級(jí)以下。測(cè)試時(shí)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(guò)某一數(shù)值時(shí),反向電流會(huì)突然增大,這種現(xiàn)象稱(chēng)為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱(chēng)為二極管反向擊穿電壓。根據(jù)器件的規(guī)格不同,其耐壓指標(biāo)也不一致,測(cè)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(tái)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(cè)試

        結(jié)電容是光電二極管的一個(gè)重要性質(zhì),對(duì)光電二極管的帶寬和響應(yīng)有很大影響。光電傳感器需要注意的是,PN結(jié)面積大的二極管結(jié)體積也越大,也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應(yīng)用中,結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加，會(huì)有效地減小結(jié)電容,增大響應(yīng)速度;光電二極管C-V測(cè)試方案由S系列源表、LCR、測(cè)試夾具盒以及上位機(jī)軟件組成。

響應(yīng)度

        光電二極管的響應(yīng)度定義為在規(guī)定波長(zhǎng)和反向偏壓下,產(chǎn)生的光電流(IP)和入射光功率(Pin)之比,單位通常為A/W。響應(yīng)度與量子效率的大小有關(guān),為量子效率的外在體現(xiàn),響應(yīng)度R=lP/Pino測(cè)試時(shí)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?dāng)_測(cè)試(Crosstalk)

        在激光雷達(dá)領(lǐng)域,不同線數(shù)的激光雷達(dá)產(chǎn)品所使用的光電探測(cè)器數(shù)量不同,各光電探測(cè)器之間的間隔也非常小,在使用過(guò)程中多個(gè)感光器件同時(shí)工作時(shí)就會(huì)存在相互的光串?dāng)_,而光串?dāng)_的存在會(huì)嚴(yán)重影響激光雷達(dá)的性能。

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

圖：串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理示意圖

        陣列探測(cè)器光串?dāng)_測(cè)試主要是進(jìn)行陣列直流串?dāng)_測(cè)試,是指在規(guī)定的反向偏壓、波長(zhǎng)和光功率下,陣列二極管中光照單元的光電流與任意一個(gè)相鄰單元光電流之比的最大值。測(cè)試時(shí)推薦使用普賽斯S系列、P系列或者CS系列多通道測(cè)試方案。

S/P系列源表測(cè)試方案

CS系列多通道測(cè)試方案

        該方案主要由CS1003c/ cS1010C主機(jī)和CS100/CS400子卡組成,具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強(qiáng)、多設(shè)備組合效率高等特點(diǎn)。

        CS1003C/CS1010C:采用自定義框架,背板總線帶寬高達(dá)3Gbps,支持16路觸發(fā)總線,滿(mǎn)足多卡設(shè)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(dá)到0.1%,最大功率為30W;配合CS1010主機(jī)最多能搭建10個(gè)測(cè)試通道。

        CS400子卡:為單卡四通道字卡，卡內(nèi)4通道共地，最大電壓10V,最大電流200mA,輸出精度達(dá)到0.1%，單通道最大功率2W;配合CS1010主機(jī)最多能搭建40個(gè)測(cè)試通道。

光耦(OC)電性能測(cè)試方案

        光耦合器(optical coupler,英文縮寫(xiě)為OC)亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器,簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件,一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光―電的轉(zhuǎn)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(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),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(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。

對(duì)于光耦器件,其主要電性能表征參數(shù)有:正向電壓VF、反向電流lR、輸入端電容CIN、發(fā)射極-集電極擊穿電壓BVcEo、電流轉(zhuǎn)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(jiàn)的小功率LED通常以mA電流來(lái)測(cè)試正向工作電壓。測(cè)試時(shí)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(guò)光電二極管的反向電流,通常反向漏電流在nA級(jí)別.測(cè)試時(shí)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(fù)電壓,無(wú)需調(diào)整電路。當(dāng)測(cè)量低電平電流(<1uA)時(shí),推薦使用三同軸連接器和三同軸電纜。

發(fā)射極-集電極擊穿電壓BVCEO

        是指在輸入端開(kāi)路的條件下,增加集電極-發(fā)射級(jí)電壓過(guò)程中使輸出電流開(kāi)始劇增時(shí)的VCEO值。

        根據(jù)器件的規(guī)格不同,其耐壓指標(biāo)也不一致,測(cè)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(tái)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(zhuǎn)換比CTR

        電流轉(zhuǎn)換比CTR(Current Transfer Radio),輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí),輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流轉(zhuǎn)換比CTR。測(cè)試時(shí)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(shè)備進(jìn)行測(cè)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(cè)試方案由S系列源表、數(shù)字電橋、測(cè)試夾具盒以及上位機(jī)軟件組成。

總結(jié)

        武漢普賽斯一直專(zhuān)注于半導(dǎo)體的電性能測(cè)試儀表開(kāi)發(fā),基于核心算法和系統(tǒng)集成等技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì),率先自主研發(fā)了高精度數(shù)字源表、脈沖式源表、窄脈沖源表、集成插卡式源表等產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體器件材料的分析測(cè)試領(lǐng)域。能夠根據(jù)用戶(hù)的需求搭配出最高效、最具性?xún)r(jià)比的半導(dǎo)體測(cè)試方案。

欲了解更多系統(tǒng)搭建方案及測(cè)試線路連接指南，歡迎來(lái)電咨詢(xún)18140663476！