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，對光器件提出了更高的要求。在光通信測試領(lǐng)域，也將迎來很多挑戰(zhàn)。

共同面對未來挑戰(zhàn)，泰克將推出一系列關(guān)于光通信測試的技術(shù)文章，本篇為第一講，為您講解關(guān)于無源器件的 PD 暗電流測試問題。本文作者是來自泰克代理商“柯泰測試”的一位工程師朋友段工，他偶然聽見幾個搞光電的小伙伴在掰扯 PD 暗電流以及如何測試的問題，正好想分享一些這方面的經(jīng)驗和理解。

暗電流，維基百科的解釋是：當沒有光子通過光感測器（例如光電倍增管、光電二極管及感光耦合元件）時，元件上仍然會產(chǎn)生的微小電流。在非光學(xué)元件中稱為逆向偏壓時的漏電流，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產(chǎn)生所造成的。

這個解釋有幾個重點：1） 無光環(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，隨機產(chǎn)生、無法消除。通俗一點：首先，這個電流并非來自外界的光子產(chǎn)生的，而是來自元件內(nèi)部的熱噪聲；其次，任何二極管都有一個理論特性即正向?qū)?、反向截止，但現(xiàn)實中的二極管元件，反向不可能做到真正的截止（反向飽和電流為 0），最后暗電流是沒辦法完全消除，只能通過 TEC 或者液氮降溫的方式來減小。

一般來說暗電流都很小，基本都在 uA 和 nA 量級，而在工業(yè)領(lǐng)域，暗電流測試屬于必測項，該測試指標主要是用來判斷二極管元件是否擊穿以及晶圓工藝是否存在問題。那這么小的暗電流，我們該如何準確、可靠的測量呢？有人說用一般的萬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，一幀一幀地摳細節(jié)，再累再苦再折磨也要堅持練到完美。工程師的日常更是挑戰(zhàn)不斷，任何細節(jié) bug 都成為前進的絆腳石。其實小電流的測試并沒有說的那么簡單，還是需要克服很多難點，這里簡單列舉最主要的幾個難點。

難點 1：如何克服電流表帶來的輸入端壓降？

萬用表測量 mA 以上的電流時，電流表的內(nèi)阻基本可以忽略不計，但小電流的量級基本都在 uA 甚至 nA 級別，此時電流表的內(nèi)阻就不能忽略不計了，而電流表內(nèi)阻會帶來壓降，這個壓降就稱之為“輸入端壓降（voltage burden）”，這個指標的大小直接會影響電流的測量精度：

舉個例子：假設(shè) Vs=0.7V、Is=100uA、Ifs=200uA、Rs=10KΩ、然后輸入端壓降為 200mV：

那計算出來 IM=（0.7V-0.2V（100uA/200uA））/10KΩ= 60uA

而理想情況下 IM=0.7/10KΩ=70uA，則測試誤差=14%；

如果把輸入端壓降減小到 200uV, 那整個測試 IM=69.99uA 則測試誤差=0.01%；

結(jié)論：通過上面一個簡單的例子就可以說明，電流表的輸入端壓降會直接影響電流表的測量精度，輸入端壓降越大，電流的測量誤差就越大，而輸入端壓降越小，測量誤差就越小。

難點 2：如何在測量電流時添加一個合適的反向偏壓？

常用的萬用表都只能解決測量的問題，但目前很多暗電流的測試都需要提供一個反向偏壓（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)時間；但是反向電壓也不能無限制的增加，過大的偏壓有可能會導(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到工作條件，形成雪崩效應(yīng)，縱觀目前的電流表和萬用表，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，這樣會使測試系統(tǒng)變得復(fù)雜，引入更多干擾條件，導(dǎo)致整個暗電流的測試精度無法保證。

那相關(guān)行業(yè)（如 LED/PD 行業(yè)）在暗電流（帶偏壓）測試上都采用什么設(shè)備來進行測試呢？通過對幾個行業(yè)的調(diào)研和走訪，發(fā)現(xiàn)目前暗電流測試主要有兩種選擇：

（1）SMU 源測單元。一方面利用它的電壓源功能，可以完成反向偏壓的掃描，另一方面同時利用它的測量功能，完成小電流的測試，這個方案的優(yōu)點是電壓掃描范圍大，最高可到幾百伏，而電流的測量功能也能基本滿足 nA 級別的測試要求，缺點則是 SMU 的單價比較高，相對而言性價比就沒那么高了。

Keithley SMU 2600

（2）高精度的 DMM 或者皮安表。這兩個產(chǎn)品都屬于測量設(shè)備，可以用于暗電流測試，電流的測試精度甚至可以達到 pA 級別，產(chǎn)品的優(yōu)點是價格適中，測量精度較高；但這兩個產(chǎn)品的缺點是：1）無法提供偏壓，只能完成無偏壓環(huán)境下的暗電流測試；2）高精度萬用表的輸入端壓降比較高，會影響小電流的測試精度。

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，帶寬和速度越來越快，不管是無源的光網(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 PD 端的靈敏度提出了越來越高的要求，那么，靈敏度的提升必然對暗電流的要求也越來越苛刻，通過查閱很多規(guī)格書，相當一部分的暗電流測試的要求都明確要求暗電流≤1nA，有的甚至要求≤幾百 pA，同時偏壓要求在 5-15V 之間，有的電壓要求≥100V, 這對于 DMM 和皮安表來說基本無能為力。

Keithley 6485

那到底有沒有一款既可以提供偏壓掃描，又能進行小電流測試的儀表呢？答案是有的，比如吉時利的 6487 就可以實現(xiàn)。我們先看下這個帶偏壓皮安表的幾個重要指標：

10 fA resolution

＜200uV burden voltage

支持電壓掃描和 Analog output

掃描電壓范圍 0-505V；

對于 1、2 和 4 三項指標而言，完全滿足了文章前面提到的暗電流測試的要求，而且電壓源支持同步掃描并＞100V，同時帶模擬輸出功能，不僅能描繪 I-V 曲線、測試高阻器件，還可以應(yīng)用到 fiber alignment 以及 PD on-wafer 測試等光電典型應(yīng)用中。

PD On-Wafer Testing

High Resistance Testing

如果你正好要對二極管或者 PD 做暗電流的測試和評估，或者你在做光纖耦合或者 PD on-wafer 測試等相關(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。

審核編輯 黃昊宇