光電二極管是一種將光轉化成電流的半導體器件,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。光電二極管也被叫作光電探測器、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)、硅光電增強管(SiPM/MPPC)。
光電二極管(PIN)也稱PIN結二極管,在光電二極管的PN結中間混入一層濃度很低的I型半導體,就能增大耗盡區的寬度,達到減小擴散運動的影響,提升響應速度的目的。由于這一混入層的摻雜濃度低,近乎本征(Intrinsic)半導體,故稱l層,所以這種結形成為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,其原理類似于光電增強管。在加上一個相當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,能在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)。使用在拉曼光譜、正電子發射斷層掃描和熒光壽命成像等領域;
硅光電增強管(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形成的,具有很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、結構緊湊等特性。
PIN光電二極管沒有增強效果,經常應用在短距離的探測領域。APD雪崩光電二極管技術比較成熟,是使用Z為廣泛的光電探測器件。當前APD的典型增益是10-100倍,在進行遠距離測試時需大幅提升光源光強才能保證APD有信號。SPAD單光子雪崩二極管和SiPM/MPPC硅光電增強管重點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獲得更強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。另外,由于SiPM工作電壓大多低于30V,不需要高壓系統,容易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。當前,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的持續發展將拓展至更多的領域。
光電探測器光電測試
光電探測器通常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Z終的特點分析和分揀操作;光電探測器在施工時,需要施加反向偏置電壓來拉開光注入產生的電子空穴對,因而完成光生載流子流程,所以光電探測器一般在反向狀態工作;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Z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,亦可以當作表,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,能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,增加一定反置偏壓產生的電流;它的本質是由PIN/APD自身的結構屬性產生的,其大小一般為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Z小電流100pA,P系列源表Z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,這種現象叫作電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓叫作二極管反向擊穿電壓。按照器件的規格不同,其耐壓指標也不一致,測試所需的儀表也不一樣,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Z大電壓300v,擊穿電壓在300V以上的器件推薦使用E系列,Z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比較大影響。光電傳感器需要關注的是,PN結面積大的二極管結體積也越大,也具有較大的充電電容。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合而成。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,單位一般為A/W。響應度與量子效率的大小相關,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zui小電流100pA,P系列源表zui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十分小,在使用流程中多個感光器件同時施工時就會存在互相的光串擾,而光串擾的存在會嚴重影響激光雷達的性能。
光串擾有兩類形式: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。
陣列探測器光串擾測試重點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Z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。
光電二極管電性能測試數字源表認準生產廠家武漢普賽斯儀表，詳詢一八一四零六六三四七六；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,帥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。可按用戶的需求搭配出Z高效、Z具性價比的半導體測試方案。
