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技术文章—PD暗电流的测试小技巧


随着新基建概念的提出 ， 5G和数据中心的建设在2020年进入快车道 ， 海量的光模块需求引领着行业的更新换代 ， 对光器件提出了更高的要求 。 在光通信测试领域 ， 也将迎来很多挑战 。
共同面对未来挑战 ， 泰克将推出一系列关于光通信测试的技术文章 ， 本篇为第一讲 ， 为您讲解关于无源器件的PD暗电流测试问题 。 本文作者是来自泰克代理商“柯泰测试”的一位工程师朋友段工 ， 他偶然听见几个搞光电的小伙伴在掰扯PD暗电流以及如何测试的问题 ， 正好想分享一些这方面的经验和理解 。
暗电流 ， 维基百科的解释是：当没有光子通过光感测器（例如光电倍增管、光电二极管及感光耦合元件）时 ， 元件上仍然会产生的微小电流 。 在非光学元件中称为逆向偏压时的漏电流 ， 在所有二极管中都存在 。 暗电流形成的原因是元件中耗尽层中电子以及空穴随机产生所造成的 。
技术文章—PD暗电流的测试小技巧
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这个解释有几个重点：1） 无光环境、反向偏压、漏电流；2）任何二极管都存在暗电流；3）暗电流属于元件的热噪声 ， 随机产生、无法消除 。 通俗一点：首先 ， 这个电流并非来自外界的光子产生的 ， 而是来自元件内部的热噪声；其次 ， 任何二极管都有一个理论特性即正向导通、反向截止 ， 但现实中的二极管元件 ， 反向不可能做到真正的截止（反向饱和电流为0） ， 最后暗电流是没办法完全消除 ， 只能通过TEC或者液氮降温的方式来减小 。
一般来说暗电流都很小 ， 基本都在uA和nA量级 ， 而在工业领域 ， 暗电流测试属于必测项 ， 该测试指标主要是用来判断二极管元件是否击穿以及晶圆工艺是否存在问题 。 那这么小的暗电流 ， 我们该如何准确、可靠的测量呢？有人说用一般的万用表或者安培表就可以了 ， 真的可以吗？
乘风破浪的姐姐们都很拼很努力 ， 一帧一帧地抠细节 ， 再累再苦再折磨也要坚持练到完美 。 工程师的日常更是挑战不断 ， 任何细节bug都成为前进的绊脚石 。 其实小电流的测试并没有说的那么简单 ， 还是需要克服很多难点 ， 这里简单列举最主要的几个难点 。
难点1：如何克服电流表带来的输入端压降？
万用表测量mA以上的电流时 ， 电流表的内阻基本可以忽略不计 ， 但小电流的量级基本都在uA甚至nA级别 ， 此时电流表的内阻就不能忽略不计了 ， 而电流表内阻会带来压降 ， 这个压降就称之为“输入端压降（voltage burden）” ， 这个指标的大小直接会影响电流的测量精度：
技术文章—PD暗电流的测试小技巧
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举个例子：假设Vs=0.7V、Is=100uA、Ifs=200uA、Rs=10KΩ、然后输入端压降为200mV：
那计算出来IM=（0.7V-0.2V（100uA/200uA））/10KΩ= 60uA
而理想情况下IM=0.7/10KΩ=70uA ， 则测试误差=14%；
如果把输入端压降减小到200uV, 那整个测试IM=69.99uA 则测试误差=0.01%；
结论：通过上面一个简单的例子就可以说明 ， 电流表的输入端压降会直接影响电流表的测量精度 ， 输入端压降越大 ， 电流的测量误差就越大 ， 而输入端压降越小 ， 测量误差就越小 。
难点2：如何在测量电流时添加一个合适的反向偏压？
常用的万用表都只能解决测量的问题 ， 但目前很多暗电流的测试都需要提供一个反向偏压（Bias Voltage） ， 为什么要加偏压？一方面偏压可以加速电子和空穴的迁移过程 ， 减少电子和空穴的复合率 ， 从而提高量子效率和响应时间；但是反向电压也不能无限制的增加 ， 过大的偏压有可能会导致二极管的反向击穿等；另一方面 ， 很多二极管属于雪崩二极管如APD ， 它们本身需要一定的偏压才能达到工作条件 ， 形成雪崩效应 ， 纵观目前的电流表和万用表 ， 都不具备提供偏压的功能 ， 因此必须在电流表的回路中加入电压源 ， 这样会使测试系统变得复杂 ， 引入更多干扰条件 ， 导致整个暗电流的测试精度无法保证 。


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