技能文章PD暗电流的测试小技巧

共同面对未来寻衅，泰克将推出一系列关于光通信测试的技能文章，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，他有时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，恰好想分享一些这方面的履历和理解。

暗电流，维基百科的阐明是：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，元件上仍旧会产生的眇小电流。
在非光学元件中称为逆向偏压时的泄电流，在所有二极管中都存在。
暗电流形成的缘故原由是元件中耗尽层中电子以及空穴随机产生所造成的。

这个阐明有几个重点：1） 无光环境、反向偏压、泄电流；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、无法肃清。
普通一点：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引导通、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），末了暗电流是没办法完备肃清，只能通过TEC或者液氮降温的办法来减小。

一样平常来说暗电流都很小，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，该测试指标紧张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、可靠的丈量呢？有人说用一样平常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。
工程师的日常更是寻衅不断，任何细节bug都成为提高的绊脚石。
实在小电流的测试并没有说的那么大略，还是须要战胜很多难点，这里大略列举最紧张的几个难点。

难点1：如何战胜电流表带来的输入端压降？

万用表丈量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乃至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丈量精度：

举个例子：假设Vs=0.7V、Is=100uA、Ifs=200uA、Rs=10K、然后输入端压降为200mV：

那打算出来IM=（0.7V-0.2V（100uA/200uA））/10K= 60uA

而空想情形下IM=0.7/10K=70uA，则测试偏差=14%；

如果把输入端压降减小到200uV, 那全体测试IM=69.99uA 则测试偏差=0.01%；

结论：通过上面一个大略的例子就可以解释，电流表的输入端压降会直接影响电流表的丈量精度，输入端压降越大，电流的丈量偏差就越大，而输入端压降越小，丈量偏差就越小。

难点2：如何在丈量电流时添加一个得当的反向偏压？

常用的万用表都只能办理丈量的问题，但目前很多暗电流的测试都须要供应一个反向偏压（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相应韶光；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，它们本身须要一定的偏压才能达到事情条件，形成雪崩效应，纵不雅观目前的电流表和万用表，都不具备供应偏压的功能，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繁芜，引入更多滋扰条件，导致全体暗电流的测试精度无法担保。

那干系行业（如LED/PD行业）在暗电流（带偏压）测试上都采取什么设备来进行测试呢？通过对几个行业的调研和拜访，创造目前暗电流测试紧张有两种选择：

（1）SMU源测单元。
一方面利用它的电压源功能，可以完成反向偏压的扫描，另一方面同时利用它的丈量功能，完成小电流的测试，这个方案的优点是电压扫描范围大，最高可到几百伏，而电流的丈量功能也能基本知足nA级别的测试哀求，缺陷则是SMU的单价比较高，相对而言性价比就没那么高了。

Keithley SMU 2600

（2）高精度的DMM或者皮安表。
这两个产品都属于丈量设备，可以用于暗电流测试，电流的测试精度乃至可以达到pA级别，产品的优点是价格适中，丈量精度较高；但这两个产品的缺陷是：1）无法供应偏压，只能完成无偏压环境下的暗电流测试；2）高精度万用表的输入端压降比较高，会影响小电流的测试精度。

Keithley DMM 7510

目前5G大基建风起云涌，光通信行业呈现爆发式增长，带宽和速率越来越快，不管是无源的光网络如FTTx、光纤光缆，还是有源的光收发模块、光芯片等等都对PD真个灵敏度提出了越来越高的哀求，那么，灵敏度的提升一定对暗电流的哀求也越来越苛刻，通过查阅很多规格书，相称一部分的暗电流测试的哀求都明确哀求暗电流≤1nA，有的乃至哀求≤几百pA，同时偏压哀求在5-15V之间，有的电压哀求≥100V, 这对付DMM和皮安表来说基本无能为力。

Keithley 6485

那到底有没有一款既可以供应偏压扫描，又能进行小电流测试的仪表呢？答案是有的，比如吉时利的6487就可以实现。
我们先看下这个带偏压皮安表的几个主要指标：

● 10 fA resolution

● ＜200uV burden voltage

● 支持电压扫描和Analog output

● 扫描电压范围0-505V；

对付1、2和4三项指标而言，完备知足了文章前面提到的暗电流测试的哀求，而且电压源支持同步扫描并＞100V，同时带仿照输出功能，不仅能描述I-V曲线、测试高阻器件，还可以运用到fiber alignment以及PD on-wafer测试等光电范例运用中。

PD On-Wafer Testing

High Resistance Testing

如果你恰好要对二极管或者PD做暗电流的测试和评估，或者你在做光纤耦合或者PD on-wafer测试等干系的行业运用，推举理解一下Keithley的6487或者6482/2502(双通道)的带偏压皮安表。