一文分享PD暗電流的測(cè)試小技巧

隨著新基建概念的提出，5G 和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)在 2020 年進(jìn)入快車道，海量的光模塊需求引領(lǐng)著行業(yè)的更新?lián)Q代，對(duì)光器件提出了更高的要求。在光通信測(cè)試領(lǐng)域，也將迎來很多挑戰(zhàn)。

共同面對(duì)未來挑戰(zhàn)，泰克將推出一系列關(guān)于光通信測(cè)試的技術(shù)文章，本篇為第一講，為您講解關(guān)于無源器件的 PD 暗電流測(cè)試問題。本文作者是來自泰克代理商“柯泰測(cè)試”的一位工程師朋友段工，他偶然聽見幾個(gè)搞光電的小伙伴在掰扯 PD 暗電流以及如何測(cè)試的問題，正好想分享一些這方面的經(jīng)驗(yàn)和理解。

暗電流，維基百科的解釋是：當(dāng)沒有光子通過光感測(cè)器（例如光電倍增管、光電二極管及感光耦合元件）時(shí)，元件上仍然會(huì)產(chǎn)生的微小電流。在非光學(xué)元件中稱為逆向偏壓時(shí)的漏電流，在所有二極管中都存在。暗電流形成的原因是元件中耗盡層中電子以及空穴隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。

這個(gè)解釋有幾個(gè)重點(diǎn)：1） 無光環(huán)境、反向偏壓、漏電流；2）任何二極管都存在暗電流；3）暗電流屬于元件的熱噪聲，隨機(jī)產(chǎn)生、無法消除。通俗一點(diǎn)：首先，這個(gè)電流并非來自外界的光子產(chǎn)生的，而是來自元件內(nèi)部的熱噪聲；其次，任何二極管都有一個(gè)理論特性即正向?qū)?、反向截止，但現(xiàn)實(shí)中的二極管元件，反向不可能做到真正的截止（反向飽和電流為 0），最后暗電流是沒辦法完全消除，只能通過 TEC 或者液氮降溫的方式來減小。

一般來說暗電流都很小，基本都在 uA 和 nA 量級(jí)，而在工業(yè)領(lǐng)域，暗電流測(cè)試屬于必測(cè)項(xiàng)，該測(cè)試指標(biāo)主要是用來判斷二極管元件是否擊穿以及晶圓工藝是否存在問題。那這么小的暗電流，我們?cè)撊绾螠?zhǔn)確、可靠的測(cè)量呢？有人說用一般的萬用表或者安培表就可以了，真的可以嗎？

乘風(fēng)破浪的姐姐們都很拼很努力，一幀一幀地?fù)讣?xì)節(jié)，再累再苦再折磨也要堅(jiān)持練到完美。工程師的日常更是挑戰(zhàn)不斷，任何細(xì)節(jié) bug 都成為前進(jìn)的絆腳石。其實(shí)小電流的測(cè)試并沒有說的那么簡單，還是需要克服很多難點(diǎn)，這里簡單列舉最主要的幾個(gè)難點(diǎn)。

難點(diǎn) 1：如何克服電流表帶來的輸入端壓降？

萬用表測(cè)量 mA 以上的電流時(shí)，電流表的內(nèi)阻基本可以忽略不計(jì)，但小電流的量級(jí)基本都在 uA 甚至 nA 級(jí)別，此時(shí)電流表的內(nèi)阻就不能忽略不計(jì)了，而電流表內(nèi)阻會(huì)帶來壓降，這個(gè)壓降就稱之為“輸入端壓降（voltage burden）”，這個(gè)指標(biāo)的大小直接會(huì)影響電流的測(cè)量精度：

舉個(gè)例子：假設(shè) Vs=0.7V、Is=100uA、Ifs=200uA、Rs=10KΩ、然后輸入端壓降為 200mV：

那計(jì)算出來 IM=（0.7V-0.2V（100uA/200uA））/10KΩ= 60uA

而理想情況下 IM=0.7/10KΩ=70uA，則測(cè)試誤差=14%；

如果把輸入端壓降減小到 200uV, 那整個(gè)測(cè)試 IM=69.99uA 則測(cè)試誤差=0.01%；

結(jié)論：通過上面一個(gè)簡單的例子就可以說明，電流表的輸入端壓降會(huì)直接影響電流表的測(cè)量精度，輸入端壓降越大，電流的測(cè)量誤差就越大，而輸入端壓降越小，測(cè)量誤差就越小。

難點(diǎn) 2：如何在測(cè)量電流時(shí)添加一個(gè)合適的反向偏壓？

常用的萬用表都只能解決測(cè)量的問題，但目前很多暗電流的測(cè)試都需要提供一個(gè)反向偏壓（Bias Voltage），為什么要加偏壓？一方面偏壓可以加速電子和空穴的遷移過程，減少電子和空穴的復(fù)合率，從而提高量子效率和響應(yīng)時(shí)間；但是反向電壓也不能無限制的增加，過大的偏壓有可能會(huì)導(dǎo)致二極管的反向擊穿等；另一方面，很多二極管屬于雪崩二極管如 APD，它們本身需要一定的偏壓才能達(dá)到工作條件，形成雪崩效應(yīng)，縱觀目前的電流表和萬用表，都不具備提供偏壓的功能，因此必須在電流表的回路中加入電壓源，這樣會(huì)使測(cè)試系統(tǒng)變得復(fù)雜，引入更多干擾條件，導(dǎo)致整個(gè)暗電流的測(cè)試精度無法保證。

那相關(guān)行業(yè)（如 LED/PD 行業(yè)）在暗電流（帶偏壓）測(cè)試上都采用什么設(shè)備來進(jìn)行測(cè)試呢？通過對(duì)幾個(gè)行業(yè)的調(diào)研和走訪，發(fā)現(xiàn)目前暗電流測(cè)試主要有兩種選擇：

（1）SMU 源測(cè)單元。一方面利用它的電壓源功能，可以完成反向偏壓的掃描，另一方面同時(shí)利用它的測(cè)量功能，完成小電流的測(cè)試，這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電壓掃描范圍大，最高可到幾百伏，而電流的測(cè)量功能也能基本滿足 nA 級(jí)別的測(cè)試要求，缺點(diǎn)則是 SMU 的單價(jià)比較高，相對(duì)而言性價(jià)比就沒那么高了。

Keithley SMU 2600

（2）高精度的 DMM 或者皮安表。這兩個(gè)產(chǎn)品都屬于測(cè)量設(shè)備，可以用于暗電流測(cè)試，電流的測(cè)試精度甚至可以達(dá)到 pA 級(jí)別，產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格適中，測(cè)量精度較高；但這兩個(gè)產(chǎn)品的缺點(diǎn)是：1）無法提供偏壓，只能完成無偏壓環(huán)境下的暗電流測(cè)試；2）高精度萬用表的輸入端壓降比較高，會(huì)影響小電流的測(cè)試精度。

Keithley DMM 7510

目前 5G 大基建如火如荼，光通信行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，帶寬和速度越來越快，不管是無源的光網(wǎng)絡(luò)如 FTTx、光纖光纜，還是有源的光收發(fā)模塊、光芯片等等都對(duì) PD 端的靈敏度提出了越來越高的要求，那么，靈敏度的提升必然對(duì)暗電流的要求也越來越苛刻，通過查閱很多規(guī)格書，相當(dāng)一部分的暗電流測(cè)試的要求都明確要求暗電流≤1nA，有的甚至要求≤幾百 pA，同時(shí)偏壓要求在 5-15V 之間，有的電壓要求≥100V, 這對(duì)于 DMM 和皮安表來說基本無能為力。

Keithley 6485

那到底有沒有一款既可以提供偏壓掃描，又能進(jìn)行小電流測(cè)試的儀表呢？答案是有的，比如吉時(shí)利的 6487 就可以實(shí)現(xiàn)。我們先看下這個(gè)帶偏壓皮安表的幾個(gè)重要指標(biāo)：

10 fA resolution

＜200uV burden voltage

支持電壓掃描和 Analog output

掃描電壓范圍 0-505V；

對(duì)于 1、2 和 4 三項(xiàng)指標(biāo)而言，完全滿足了文章前面提到的暗電流測(cè)試的要求，而且電壓源支持同步掃描并＞100V，同時(shí)帶模擬輸出功能，不僅能描繪 I-V 曲線、測(cè)試高阻器件，還可以應(yīng)用到 fiber alignment 以及 PD on-wafer 測(cè)試等光電典型應(yīng)用中。

PD On-Wafer Testing

High Resistance Testing

如果你正好要對(duì)二極管或者 PD 做暗電流的測(cè)試和評(píng)估，或者你在做光纖耦合或者 PD on-wafer 測(cè)試等相關(guān)的行業(yè)應(yīng)用，推薦了解一下 Keithley 的 6487 或者 6482/2502(雙通道)的帶偏壓皮安表。

審核編輯 黃昊宇