不懼暗流涌動,跟工程師分享PD暗電流的測試小技巧

2020-07-27 09:19:54 來源:測試測量
隨著新基建概念的提出,5G和數據中心的建設在2020年進入快車道,海量的光模塊需求引領著行業的更新換代,對光器件提出了更高的要求。在光通信測試領域,也將迎來很多挑戰。

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

暗電流,維基百科的解釋是:當沒有光子通過光感測器(例如光電倍增管、光電二極管及感光耦合元件)時,元件上仍然會產生的微小電流。在非光學元件中稱為逆向偏壓時的漏電流,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產生所造成的。

這個解釋有幾個重點:1) 無光環境、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,隨機產生、無法消除。通俗一點:首先,這個電流并非來自外界的光子產生的,而是來自元件內部的熱噪聲;其次,任何二極管都有一個理論特性即正向導通、反向截止,但現實中的二極管元件,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,而在工業領域,暗電流測試屬于必測項,該測試指標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,我們該如何準確、可靠的測量呢?有人說用一般的萬用表或者安培表就可以了,真的可以嗎?

乘風破浪的姐姐們都很拼很努力,一幀一幀地摳細節,再累再苦再折磨也要堅持練到完美。工程師的日常更是挑戰不斷,任何細節bug都成為前進的絆腳石。其實小電流的測試并沒有說的那么簡單,還是需要克服很多難點,這里簡單列舉最主要的幾個難點。
難點1:如何克服電流表帶來的輸入端壓降?

萬用表測量mA以上的電流時,電流表的內阻基本可以忽略不計,但小電流的量級基本都在uA甚至nA級別,此時電流表的內阻就不能忽略不計了,而電流表內阻會帶來壓降,這個壓降就稱之為“輸入端壓降(voltage burden)”,這個指標的大小直接會影響電流的測量精度:
舉個例子:假設Vs=0.7V、Is=100uA、Ifs=200uA、Rs=10KΩ、然后輸入端壓降為200mV:
那計算出來IM=(0.7V-0.2V(100uA/200uA))/10KΩ= 60uA
而理想情況下IM=0.7/10KΩ=70uA,則測試誤差=14%;
如果把輸入端壓降減小到200uV,  那整個測試IM=69.99uA  則測試誤差=0.01%;
結論:通過上面一個簡單的例子就可以說明,電流表的輸入端壓降會直接影響電流表的測量精度,輸入端壓降越大,電流的測量誤差就越大,而輸入端壓降越小,測量誤差就越小。
難點2:如何在測量電流時添加一個合適的反向偏壓?
常用的萬用表都只能解決測量的問題,但目前很多暗電流的測試都需要提供一個反向偏壓(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合率,從而提高量子效率和響應時間;但是反向電壓也不能無限制的增加,過大的偏壓有可能會導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到工作條件,形成雪崩效應,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,這樣會使測試系統變得復雜,引入更多干擾條件,導致整個暗電流的測試精度無法保證。
那相關行業(如LED/PD行業)在暗電流(帶偏壓)測試上都采用什么設備來進行測試呢?通過對幾個行業的調研和走訪,發現目前暗電流測試主要有兩種選擇:
(1)SMU源測單元。一方面利用它的電壓源功能,可以完成反向偏壓的掃描,另一方面同時利用它的測量功能,完成小電流的測試,這個方案的優點是電壓掃描范圍大,最高可到幾百伏,而電流的測量功能也能基本滿足nA級別的測試要求,缺點則是SMU的單價比較高,相對而言性價比就沒那么高了。
Keithley SMU 2600
(2)高精度的DMM或者皮安表。這兩個產品都屬于測量設備,可以用于暗電流測試,電流的測試精度甚至可以達到pA級別,產品的優點是價格適中,測量精度較高;但這兩個產品的缺點是:1)無法提供偏壓,只能完成無偏壓環境下的暗電流測試;2)高精度萬用表的輸入端壓降比較高,會影響小電流的測試精度。
Keithley DMM 7510
目前5G大基建如火如荼,光通信行業呈現爆發式增長,帶寬和速度越來越快,不管是無源的光網絡如FTTx、光纖光纜,還是有源的光收發模塊、光芯片等等都對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暗電流的要求也越來越苛刻,通過查閱很多規格書,相當一部分的暗電流測試的要求都明確要求暗電流≤1nA,有的甚至要求≤幾百pA,同時偏壓要求在5-15V之間,有的電壓要求≥100V, 這對于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,又能進行小電流測試的儀表呢?答案是有的,比如吉時利的6487就可以實現。我們先看下這個帶偏壓皮安表的幾個重要指標:

  • 10 fA resolution
  • <200uV burden voltage
  • 支持電壓掃描和Analog output
  • 掃描電壓范圍0-505V;
對于1、2和4三項指標而言,完全滿足了文章前面提到的暗電流測試的要求,而且電壓源支持同步掃描并>100V,同時帶模擬輸出功能,不僅能描繪I-V曲線、測試高阻器件,還可以應用到fiber alignment以及PD on-wafer測試等光電典型應用中。

PD On-Wafer Testing



High Resistance Testing
如果你正好要對二極管或者PD做暗電流的測試和評估,或者你在做光纖耦合或者PD on-wafer測試等相關的行業應用,推薦了解一下Keithley的6487或者6482/2502(雙通道)的帶偏壓皮安表。
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