如何克服电流表带来的输入端压降？

　　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。
　　
　　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：
　　
　　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。
　　那相关行业（如LED/PD行业）在暗电流（带偏压）测试上都采用什么设备来进行测试呢？通过对几个行业的调研和走访，发现目前暗电流测试主要有两种选择：
　　（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测量功能，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，而电流的测量功能也能基本满足nA级别的测试要求，缺点则是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。这两个产品都属于测量设备，可以用于暗电流测试，电流的测试精度甚至可以达到pA级别，产品的优点是价格适中，测量精度较高；但这两个产品的缺点是：1）无法提供偏压，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大基建如火如荼，光通信行业呈现爆发式增长，带宽和速度越来越快，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端的灵敏度提出了越来越高的要求，那么，灵敏度的提升必然对暗电流的要求也越来越苛刻，通过查阅很多规格书，相当一部分的暗电流测试的要求都明确要求暗电流≤1nA，有的甚至要求≤几百pA，同时偏压要求在5-15V之间，有的电压要求≥100V， 这对于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提供偏压扫描，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重要指标：
　　●10 fA resolution
　　●＜200uV burden voltage
　　●支持电压扫描和Analog output
　　●扫描电压范围0-505V；
　　对于1、2和4三项指标而言，完全满足了文章前面提到的暗电流测试的要求，而且电压源支持同步扫描并＞100V，同时带模拟输出功能，不仅能描绘I-V曲线、测试高阻器件，还可以应用到fiber alignment以及PD on-wafer测试等光电典型应用中。
　　
　　PD On-Wafer TesTIng
　　
　　High Resistance TesTIng
　　如果你正好要对二极管或者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测试等相关的行业应用，推荐了解一下Keithley的6487或者6482/2502（双通道）的带偏压皮安表。