光電二極管是一種將光轉換為電流的半導體器件,在p(正)和n (負)層之間,存在一個本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產生電流。光電二極管也被稱為光電探測器、光電傳感器或光探測器,常見的有光電二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)、硅光電倍增管(SiPM/MPPC)。
數字源表如何表征光電探測器光電性能？
光電二極管是一種將光轉換為電流的半導體器件,在p(正)和n(負)層之間,存在一個本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產生電流。光電二極管也被稱為光電探測器、光電傳感器或光探測器,常見的有光電二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)、硅光電倍增管(SiPM/MPPC)。
圖：探測器的分類
光電二極管(PIN)也稱PIN結二極管,在光電二極管的PN結中間摻入一層濃度很低的I型半導體,就可以增大耗盡區的寬度,達到減小擴散運動的影響,提高響應速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低,近乎本征(Intrinsic)半導體,故稱l層,因此這種結構成為PIN光電二極管;
雪崩光電二極管(APD)是一種具有內部增益的光電二極管,其原理類似于光電倍增管。在加上一個較高的反向偏置電壓后(在硅材料中一般為100-200V),利用電離碰撞(雪崩擊穿)效應,可在APD中獲得一個大約100的內部電流增益;
單光子雪崩二極管(SPAD)是一種具有單光子探測能力的光電探測雪崩二極管,工作在蓋革模式下的APD(Avalanche Photon Diode)。應用于拉曼光譜、正電子發射斷層掃描和熒光壽命成像等領域;
硅光電倍增管(SiPM)是一種由工作于雪崩擊穿電壓之上和具有雪崩猝滅機制的雪崩光電二極管陣列并聯構成的,具有較好的光子數分辨和單光子探測靈敏度的硅基弱光探測器,具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、結構緊湊等特點。
圖：光電二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)、硅光電倍增管(SiPM/MPPC)
PIN光電二極管沒有倍增效果,常常應用在短距離的探測領域。APD雪崩光電二極管技術較為成熟,是使用Z為廣泛的光電探測器件。目前APD的典型增益是10-100倍,在進行遠距離測試時需大幅提高光源光強才能確保APD有信號。SPAD單光子雪崩二極管和SiPM/MPPC硅光電倍增管主要是為了解決增益能力和大尺寸陣列的實現而存在:
1)SPAD或者SiPM/MPPC是工作在蓋革模式下的APD，可以獲得幾十倍到幾千倍的增益,但系統成本與電路成本均較高;
2)SiPM/MPPC是多個SPAD的陣列形式,可通過多個SPAD獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用,更容易集成CMOS技術,具備規模量產的成本優勢。此外,由于SiPM工作電壓大多低于30V,不需要高壓系統,易于與主流電子系統集成,內部的增益也使SiPM對后端讀出電路的要求更簡單。目前,SiPM廣泛應用于醫療儀器、激光探測與測量(LiDAR)、精密分析、輻射監測、安全檢測等領域,隨著SiPM的不斷發展將拓展至更多的領域。
表：SiPM/MPPC、SPAD、APD、PIN-PD探測器參數對比
光電探測器光電測試
光電探測器一般需要先對晶圓進行測試,封裝后再對器件進行二次測試,完成Z終的特性分析和分揀操作;光電探測器在工作時,需要施加反向偏置電壓來拉開光注入產生的電子空穴對,從而完成光生載流子過程,因此光電探測器通常在反向狀態工作;測試時比較關注暗電流、反向擊穿電壓、結電容、響應度、串擾等參數。
利用數字源表進行光電探測器光電性能表征
實施光電性能參數表征分析的Z佳工具之一是數字源表(SMU)。數字源表作為獨立的電壓源或電流源,可輸出恒壓、恒流、或者脈沖信號,還可以當作表,進行電壓或者電流測量;支持Trig觸發,可實現多臺儀表聯動工作;針對光電探測器單個樣品測試以及多樣品驗證測試,可直接通過單臺數字源表、多臺數字源表或插卡式源表搭建完整的測試方案。
數字源表如何表征光電探測器光電性能？認準生產廠家武漢普賽斯儀表，武漢普賽斯一直專注于半導體的電性能測試儀表開發,基于核心算法和系統集成等技術平臺優勢,帥先自主研發了高精度數字源表、脈沖式源表、窄脈沖源表、集成插卡式源表等產品,廣泛應用在半導體器件材料的分析測試領域。能夠根據用戶的需求搭配出高效、具性價比的半導體測試方案。
