光电二极管电性能分析数字源表

光电二极管是一种将光转换为电流的半导体器件,在p(正)和n (负)层之间,存在一个本征层。光电二极管接受光能作为输入以产生电流。光电二极管也被称为光电探测器、光电传感器或光探测器,常见的有光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增管(SiPM/MPPC)。

图：探测器的分类

光电二极管(PIN)也称PIN结二极管,在光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的I型半导体,就可以增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic)半导体,故称l层,因此这种结构成为PIN光电二极管;

雪崩光电二极管(APD)是一种具有内部增益的光电二极管,其原理类似于光电倍增管。在加上一个较高的反向偏置电压后(在硅材料中一般为100-200V),利用电离碰撞(雪崩击穿)效应,可在APD中获得一个大约100的内部电流增益;

单光子雪崩二极管(SPAD)是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管,工作在盖革模式下的APD(Avalanche   Photon Diode)。应用于拉曼光谱、正电子发射断层扫描和荧光寿命成像等领域;

硅光电倍增管(SiPM)是一种由工作于雪崩击穿电压之上和具有雪崩猝灭机制的雪崩光电二极管阵列并联构成的,具有较好的光子数分辨和单光子探测灵敏度的硅基弱光探测器,具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。

图：光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增管(SiPM/MPPC)

PIN光电二极管没有倍增效果,常常应用在短距离的探测领域。APD雪崩光电二极管技术较为成熟,是使用Z为广泛的光电探测器件。目前APD的典型增益是10-100倍,在进行远距离测试时需大幅提高光源光强才能确保APD有信号。SPAD单光子雪崩二极管和SiPM/MPPC硅光电倍增管主要是为了解决增益能力和大尺寸阵列的实现而存在:

1)SPAD或者SiPM/MPPC是工作在盖革模式下的APD，可以获得几十倍到几千倍的增益,但系统成本与电路成本均较高;

2)SiPM/MPPC是多个SPAD的阵列形式,可通过多个SPAD获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术,具备规模量产的成本优势。此外,由于SiPM工作电压大多低于30V,不需要高压系统,易于与主流电子系统集成,内部的增益也使SiPM对后端读出电路的要求更简单。目前,SiPM广泛应用于医疗仪器、激光探测与测量(LiDAR)、精密分析、辐射监测、安全检测等领域,随着SiPM的不断发展将拓展至更多的领域。

表：SiPM/MPPC、SPAD、APD、PIN-PD探测器参数对比

光电探测器一般需要先对晶圆进行测试,封装后再对器件进行二次测试,完成最终的特性分析和分拣操作;光电探测器在工作时,需要施加反向偏置电压来拉开光注入产生的电子空穴对,从而完成光生载流子过程,因此光电探测器通常在反向状态工作;测试时比较关注暗电流、反向击穿电压、结电容、响应度、串扰等参数。