光电二极管是一种将光转化成电流的半导体器件,在p(正)和n(负)层之间,存在一个本征层。光电二极管接受光能作为输入以产生电流。光电二极管也被叫作光电探测器、光电传感器或光探测器,常见的有光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电增强管(SiPM/MPPC)。
光电二极管(PIN)也称PIN结二极管,在光电二极管的PN结中间混入一层浓度很低的I型半导体,就能增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提升响应速度的目的。由于这一混入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic)半导体,故称l层,所以这种结形成为PIN光电二极管;
雪崩光电二极管(APD)是一种具有内部增益的光电二极管,其原理类似于光电增强管。在加上一个相当高的反向偏置电压后(在硅材料中一般为100-200V),利用电离碰撞(雪崩击穿)效应,能在APD中获得一个大约100的内部电流增益;
单光子雪崩二极管(SPAD)是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管,工作在盖革模式下的APD(Avalanche
Photon Diode)。使用在拉曼光谱、正电子发射断层扫描和荧光寿命成像等领域;
硅光电增强管(SiPM)是一种由工作于雪崩击穿电压之上和具有雪崩猝灭机制的雪崩光电二极管阵列并联形成的,具有很好的光子数分辨和单光子探测灵敏度的硅基弱光探测器,具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特性。
PIN光电二极管没有增强效果,经常应用在短距离的探测领域。APD雪崩光电二极管技术比较成熟,是使用Z为广泛的光电探测器件。当前APD的典型增益是10-100倍,在进行远距离测试时需大幅提升光源光强才能保证APD有信号。SPAD单光子雪崩二极管和SiPM/MPPC硅光电增强管重点是为了解决增益能力和大尺寸阵列的实现而存在:
1)SPAD或者SiPM/MPPC是工作在盖革模式下的APD，可以获得几十倍到几千倍的增益,但系统成本与电路成本均较高;
2)SiPM/MPPC是多个SPAD的阵列形式,可通过多个SPAD获得更强的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术,具备规模量产的成本优势。另外,由于SiPM工作电压大多低于30V,不需要高压系统,容易与主流电子系统集成,内部的增益也使SiPM对后端读出电路的要求更简单。当前,SiPM广泛应用于医疗仪器、激光探测与测量(LiDAR)、精密分析、辐射监测、安全检测等领域,随着SiPM的持续发展将拓展至更多的领域。
光电探测器光电测试
光电探测器通常需要先对晶圆进行测试,封装后再对器件进行二次测试,完成Z终的特点分析和分拣操作;光电探测器在施工时,需要施加反向偏置电压来拉开光注入产生的电子空穴对,因而完成光生载流子流程,所以光电探测器一般在反向状态工作;测试时比较关注暗电流、反向击穿电压、结电容、响应度、串扰等参数。
利用数字源表进行光电探测器光电性能表征
实施光电性能参数表征分析的Z佳工具之一是数字源表(SMU)。数字源表作为独立的电压源或电流源,可输出恒压、恒流、或者脉冲信号,亦可以当作表,进行电压或者电流测量;支持Trig触发,可实现多台仪表联动工作;针对光电探测器单个样品测试以及多样品验证测试,能直接通过单台数字源表、多台数字源表或插卡式源表搭建完整的测试方案。普赛斯数字源表搭建光电探测器光电测试方案暗电流
暗电流是PIN /APD管在没有光照的情况下,增加一定反置偏压产生的电流;它的本质是由PIN/APD自身的结构属性产生的,其大小一般为uA级以下。测试时推荐使用普赛斯S系列或P系列源表,S系列源表Z小电流100pA,P系列源表Z小电流10pA。 反向击穿电压
外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种现象叫作电击穿。引起电击穿的临界电压叫作二极管反向击穿电压。按照器件的规格不同,其耐压指标也不一致,测试所需的仪表也不一样,击穿电压在300V以下推荐使用S系列台式源表或P系列脉冲源表,其Z大电压300v,击穿电压在300V以上的器件推荐使用E系列,Z大电压3500V。 C-V测试
结电容是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有比较大影响。光电传感器需要关注的是,PN结面积大的二极管结体积也越大,也具有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加，会有效减小结电容,增大响应速度;光电二极管C-V测试方案由S系列源表、LCR、测试夹具盒以及上位机软件组合而成。响应度
光电二极管的响应度定义为在规定波长和反向偏压下,产生的光电流(IP)和入射光功率(Pin)之比,单位一般为A/W。响应度与量子效率的大小相关,为量子效率的外在体现,响应度R=lP/Pino测试时推荐使用普赛斯S系列或P系列源表,S系列源表zui小电流100pA,P系列源表zui小电流10pA。光串扰测试(Crosstalk)
在激光雷达领域,不同线数的激光雷达产品所使用的光电探测器数量不同,各光电探测器之间的间隔也十分小,在使用流程中多个感光器件同时施工时就会存在互相的光串扰,而光串扰的存在会严重影响激光雷达的性能。
光串扰有两类形式:一种在阵列的光电探测器上方以较大角度入射的光在被该光电探测器完全吸收前进入相邻的光电探测器并被吸收;二是大角度入射光有一部分没有入射到感光区,而是入射到光电探测器间的互联层并经反射进入相邻器件的感光区。
阵列探测器光串扰测试重点是进行阵列直流串扰测试,是指在规定的反向偏压、波长和光功率下,阵列二极管中光照单元的光电流与任意一个相邻单元光电流之比的Z大值。测试时推荐使用普赛斯S系列、P系列或者CS系列多通道测试方案。
光电二极管电性能测试数字源表认准生产厂家武汉普赛斯仪表，详询一八一四零六六三四七六；武汉普赛斯一直专注于半导体的电性能测试仪表开发,基于核心算法和系统集成等技术平台优势,帅先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、窄脉冲源表、集成插卡式源表等产品,广泛应用在半导体器件材料的分析测试领域。可按用户的需求搭配出Z高效、Z具性价比的半导体测试方案。