【導(dǎo)讀】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(lái)很多挑戰(zhàn)。
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(lái)很多挑戰(zhàn)。
共同面對(duì)未來(lái)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(wú)源器件的PD暗電流測(cè)試問(wèn)題。本文作者是來(lái)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(tīng)見(jiàn)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(wèn)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(méi)有光子通過(guò)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(wú)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(wú)法消除。通俗一點(diǎn)：首先，這個(gè)電流并非來(lái)自外界的光子產(chǎn)生的，而是來(lái)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)ā⒎聪蚪刂梗F(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(méi)辦法完全消除，只能通過(guò)TEC或者液氮降溫的方式來(lái)減小。
一般來(lái)說(shuō)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(lái)判斷二極管元件是否擊穿以及晶圓工藝是否存在問(wèn)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(shuō)用一般的萬(wàn)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(méi)有說(shuō)的那么簡(jiǎn)單，還是需要克服很多難點(diǎn)，這里簡(jiǎn)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(lái)的輸入端壓降？
萬(wàn)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(lái)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(lái)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(guò)上面一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)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(wàn)用表都只能解決測(cè)量的問(wèn)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(guò)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(wú)限制的增加，過(guò)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(wàn)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(wú)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(lái)進(jìn)行測(cè)試呢？通過(guò)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(méi)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(wú)法提供偏壓，只能完成無(wú)偏壓環(huán)境下的暗電流測(cè)試；2）高精度萬(wàn)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(zhǎng)，帶寬和速度越來(lái)越快，不管是無(wú)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(lái)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(lái)越苛刻，通過(guò)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(lái)說(shuō)基本無(wú)能為力。
Keithley 6485
那到底有沒(méi)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。
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