Photodiode test

Overview
Diode is a semiconductor device that converts light into current .  There is an  intrinsic layer between the p (positive)   and n (negative) layers. The photodiode  accepts the light  energy as  input to generate  electric  current. Photodiodes   are also known as photodetectors,  photosensors or photodetectors,  common are photodiodes (PIN),  avalanche  photodiode (APD), single photon avalanche diode (SPAD) , silicon photomultiplier (SiPM / MPPC).

Photodiode (PIN) also known as PIN junction diode, where a layer of  I-type semiconductor is low in the middle of the photodiode PN junction , can increase the width of the  depletion  area，reduce the impact of diffusion movement and  improve the response speed. Due to the low doping concentration of this incorporation layer
, almost intrinsic semiconductor, it's called I-layer, so this structure becomes PIN photodiode;

Avalanche photodiode(APD) is a photodiode with an internal gain, the principle similar to a   photomultiplier tube. After add a high  reverse bias voltage (generally 100-200V in silicon  materials),  internal current gain of  approximately 100 can be obtained in the APD by using the ionization collision (avalanche breakdown) effect;

Single photon avalanche diode(SPAD) is a  photoelectric detection avalanche diode with     single photon detection capability operating  in APD (Avalanche Photon Diode)  in Geiger mode.  Applied to Raman spectroscopy, positron emission tomography, and fluorescence lifetime imaging areas ;

Silicon photomultiplier (SiPM) is a kind of working on the avalanche breakdown voltage and   has the avalanche quenching mechanism of   avalanche photodiode array in parallel,  with excellent photon number resolution and single  photon detection sensitivity of silicon low   light detector, with high gain, high sensitivity ,  low bias voltage,  not sensitive  to  magnetic field, compact structure.

PIN photodiodes have no multiplier effect and are    often applied in the short-range detection field. APD avalanche photodiode technology is relatively  mature and is the  most widely used photodetector. Thetypical gain of APD is currently 10-100 times, light source needs to significantly increase  to ensure   that the APD has a signal during long-distance test， SPAD single photon avalanche diode and SiPM / MPPC  silicon photomultiplier exist mainly to solve the   gain capability and the implementation of large-size arrays：
1) SPAD or SiPM / MPPC is an APD working in Geiger   mode, which can obtain a gain of tens to thousands of  times, but the system and circuit costs are high;
2) SiPM / MPPC is an array form of multiple SPAD,    which can obtain higher detectable range and use with  array light source through multiple SPAD,  so it's   easier to integrate  CMOS technology and has the cost advantage of mass production scale. In addition, as  SiPM operating voltage is mostly lower than 30V, no  need high voltage system, easy to integrate with  mainstream electronic systems, the internal million- level gain also makes SiPM requirements for the back- end readout circuit simpler. At present, SiPM is  widely  used in  medical instruments, laser detection  and measurement (LiDAR), precision analysis,
radiation monitoring, safety detection and other   fields, with the continuous development of SiPM, it will expand to more fields.

Photodetector Photoelectric Test
Photodetectors generally need to test  the wafer first，then perform a second test  on the device after packaging to complete the final characteristic analysis and sorting  operation;  when the photodetector is working, it needs to apply a reverse bias voltage to pull the light out. The generated electron- hole pairs are injected to complete the photogenerated  carrier.So photodetectors usually work in the reverse state; during  testing, more attention is paid to parameters such as dark current,  reverse breakdown voltage,  junction  capacitance, responsivity, and crosstalk.
Use The Digital Sourcemeasure Meter
Photoelectric performance characterization of photodetectors
One of the best tools for the  characterization of photoelectric performance  parameters is the digital source measure meter (SMU).    Digital source measure meter as independent voltage source or  current source, can output constant  voltage, constant current, or pulse signal, can also be as a instrument for voltage or currentmeasurement; support Trig trigger,  multiple   instruments linkage work; for photoelectric detector single sample test and multiple sample verification test, a complete  test scheme can be directly  built through a  single digital  source measure meter, multiple digital source measure meter or card source measure meter.

PRECISE Digital Source measure Meter
Build the photoelectric test scheme of the photoelectric detector
Dark current

Dark current is the current formed by PIN / APD tube without illumination; it's        essentially generated by the structural      properties of PIN / APD itself, which is     usually below μA grade.
Using the S series or P series source measure meter,   the minimum current of S series source measure meter is
100 pA, and the minimum current of P series source measure meter is 10 pA.

Testing circuits

IV curve of dark current

When measuring the low level current(< 1 μA), the triple coaxial connectors and  triple coaxial cables can be used. The     three coaxial cable is composed of the    inner core (the corresponding connector is the central contact), the protective layer (the corresponding connector is the middle cylindrical contact),  and the outer skin   shielding layer.  In the test  circuit  of the protection end of the source measure meter, as there is equipotential between the three coaxial protection layer and the inner core , there will be no leakage current   generation ,  which can improve the accuracy of lowcurrent test.

Interfaces of source measure meter

Triaxial Adapter

Breakdown reverse voltage
When the applied reverse voltage exceeds a   certain value, the reverse current will  suddenly increase, this phenomenon is called electric breakdown. The critical voltage that
causes electrical breakdown is called the diode reverse breakdown voltage.
According to the different specifications of the device, the voltage resistance index is not consistent, and the instrument required for the test is also different. It is  recommended to use S series desktop source measure meter or P series pulse source measure meter below   300V, the maximum voltage is 300V, the  breakdown voltage above  300V is recommended,  and the maximum voltage is 3500V.

Connection circuits

Reverse breakdown voltage IV curve

C-V Test
 
The junction capacitance is an important    property of the photodiode and has a great      influence on its bandwidth and response. It     should be noted that the diode with a large PN  junction area has a larger junction volume and  also has a larger charging capacitor. In reverse bias application, increasing the depletion zone width of the  junction effectively  reduces the junction capacitance and increases the response speed. The photodiode C-V test scheme consists of S series source measure meter, LCR, test clamp box  and upper computer  software. The test circuit  and curve diagram are shown as below.

CV testing connection circuits

 CV curve

Responsivity
The responsivity of the photodiode is defined as the ratio of the generated  photocurrent (IP) to the incident light power  (Pin),  at the specified wavelength and  reverse bias,  usually in A / W. The responsivity is  related to the magnitude of the quantum efficiency, which is the external embodiment of the quantum efficiency, and the responsivity  is R=IP / Pin. Using the S series or P series source measure meter, the minimum current of S series source measure meter is 100 pA, and the minimum current of P series sourcemeasure meter is 10 pA.

Optical Crosstalk Test (Crosstalk)

In the lidar field the number of photodetectors used in lidar products with   different lines is different, and the  interval between photodetectors is very small. In the process of use,  there will be mutual optical crosstalk at the same time, and the existence of optical crosstalk will seriously affect the performance of lidar.
Optical crosstalk takes two forms: the  light incident at a large angle above the array enters the adjacent photodetector and  is absorbed before  being fully absorbed by   the  photodetector; second, a part of the large-angle incident light is not incident to the photosensitive area, but is incident to the interconnecting  layer between the photodetectors and  is reflected into the photosensitive area of the adjacent device.

Array detector optical crosstalk test is mainly for array DC crosstalk test, which  refers to the maximum value of the ratio of the photocurrent of the light unit to any  adjacent unit photocurrent in the array  diode under the specified reverse bias,  wavelength and optical power.

S/P Series Test Solution

CS Series Multi-channel Test Solution

The test by the trial S series, P series, or CS series multi-channel testing scheme is recommended.
This scheme is mainly composed of CS1003C /  CS1010C host and CS100 / CS400 subcard, which has the characteristics of high channel density, strong synchronous  trigger function  and high multi-device combination efficiency.
CS1003C / CS1010C: Using custom frame,   backplane bus bandwidth up to 3 Gbps, support 16 trigger bus, to meet the needs of high  speed communication of multi-card  equipment, CS1003C has a slot for up to 3 subcards,    CS1010C has a slot for up to 10 subcards.

CS100 subcard: single card single channel subcard with four quadrant working capacity, maximum voltage of 300V, minimum current of 100 pA, output accuracy of 0.1%, maximum    power of 30W; up to 10 test channels.
CS400 subcard: a single card four-channel word card with 4 channels, the maximum voltage of 10V, the maximum current of 200 mA , output accuracy of 0.1%, single channel
maximum power of 2W; can build 40 with CS1010 host test channels.

Optical Coupling (OC) Electrical Performance Test Solution


Optical coupler (optical coupler, English abbreviation OC) is also known as photoelectric separator or photoelectric coupler, referred to as photocoupler. It is a device that  transmits  electrical signals with light as the medium. It is generally composed of three parts: light transmission, light reception and signal amplification.  Theinput electrical signal drives a light- emitting diode (LED), causing it to emit a  certain wavelength of light, which is   received by the optical detector to generate a photocurrent,  which is further amplified   and output.  This completes the conversion of electricity one light one electricity, thus playing the role of input, output and isolation.
Because the input and output of optical   coupler are isolated from each other, the transmission of electrical signals is  unidirectional, so it has good electrical insulation ability and  anti-interference  ability, so it is widely used in various  circuits. At present, it has become one of the most diverse and widely used  photoelectric devices. 

For optical coupling devices, the main electrical performance characterization    parameters are: forward voltage VF, reverse current IR, input capacitance CIN, emitter- collector breakdown voltage BVcEo, current conversion ratio CTR, etc.
Direct Voltage VF

VF refers to the pressure drop of the LED itself at a given operating current. Common low-power LEDs usually test the forward operating voltage with the mA current. The Perth S  series or P series source measure meter is recommended during testing.

Vf testing circuits

Reverse Leakage Current IR
Usually the reverse current flowing  through the photodiode at the maximum reverse voltage, usually the reverse leakage currentis at the nA level. The test S series or P  series sourcemeasure meter has the ability to work infour quadrants, it can output negative voltage without adjusting the circuit. When measuring low level current  (<1 μ A),  three coaxial connectors and triple coaxial cables are recommended.

Embitter-collector Breakdown Voltage BVcEO
It refers to the VcEo value when the  output current starts to increase under the condition of open circuit. According to the different specifications of the device,  the voltage  resistance index is not consistent, and the instrument required for the test is also different. It is recommended to use S series desktop      source measure meter or P series pulse source measure meter   below 300V, the maximum voltage is 300V, the
breakdown voltage above 300V is recommended , and the maximum voltage is 3500V.

BVceo testing circuits

Current Transfer Ratio CTR
Current Transfer ratio CTR (Current    Transfer Ratio), when the operating voltage of the output tube is the specified value, the ratio of the output current and the    forward current of the light-emitting diode is the current conversion ratio CTR. The   Perth S series or P series source measure meter is  recommended during testing.

Isolation Voltage
Insulation voltage resistance between the  input and output ends of the optical coupler. Generally, the isolation voltage is high, and a large voltage equipment is required for  testing.  The E-series source measure meter is recommended, and the maximum voltage is 3500V.

isolation voltage testing  circuits

Isolated Capacitance Cf
The isolated capacitance Cr refers to   the capacitance value between the input and output terminals of the photocoupled device.
The test scheme consists of S series source measure meter, digital bridge, test clamp box and upper computer software. The test circuit and curve diagram are shown below.

isolation capacitor testing  circuits

Cf curve

Conclusion

Wuhan PERCISE instrument has been focused on  semiconductor electric performance test instrument development, based on the core algorithm and system integration technology   platform advantages, the first independent research and development of high precision   digital source measure meter, pulse source measure meter, narrow pulse source measure meter, integrated card source measure meter products are widely used in the  analysis of semiconductor device material and testing field. According to the needs of    users，we offer with the most efficient, cost -effective semiconductor test solutions.