Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу
Studying the current-voltage characteristics (IVC) of photodiodes, as well as any other device with a p–n junction, allows us to determine their quality and compliance with the stated requirements for reverse dark current. However, in the development and production of photodiodes, dark currents are...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.38 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867841462242115584 |
|---|---|
| author | Kshevetskyi, Oleg Dobrovolsky, Yuriy Diachuk, Rostyslav |
| author_facet | Kshevetskyi, Oleg Dobrovolsky, Yuriy Diachuk, Rostyslav |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Oleg Kshevetskyi",
"institution": "Yurii Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Yuriy Dobrovolsky",
"institution": "Yurii Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Rostyslav Diachuk",
"institution": "Yurii Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kshevetskyi, Oleg |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-12T12:19:16Z |
| description | Studying the current-voltage characteristics (IVC) of photodiodes, as well as any other device with a p–n junction, allows us to determine their quality and compliance with the stated requirements for reverse dark current. However, in the development and production of photodiodes, dark currents are usually investigated with the aim of achieving a certain level. The mechanisms of dark current generation are rarely studied in detail.
Some researchers are faced with the problem of the dynamics of small values of dark current (at the level of 10–9 A), when the photodiode is a part of a high-resistance electrical circuit.
This study investigated the dynamic IVC of silicon photodiode samples in the zone of small currents using a newly developed, specialised, computerised system.
To carry out the research, we first tested the original computerised setup we had developed and manufactured by measuring the dynamics of dark currents of a UFD 337 type photodiode. The tests allowed establishing that the voltage changes within the range from +1.5 to –9 V (which can be expanded by using other power sources), the number of measurements of dark current values per second is up to 5000 (can be increased when using a higher-frequency controller), and the resolution when measuring dark current is 0.02 nA. During our research, we studied the behaviour of the dark currents of silicon photodiodes over a range their lower values: 10–10–10–7 A. The experimental results show that the investigated photodiodes have hysteresis of dynamic I–V characteristics in the range of currents of 1–10 nA at a negative voltage from 10 to 0 V.
If the diode structure is technologically perfect, then for static IVCs such hysteresis should either not exist at all or may be within the dark current measurement error, which is usually about 5%. In our case, the current drop in the hysteresis loop on the dynamic IVCs increases with the voltage change rate. On average, it is about 5 nA, which is much larger than the measurement error of 0.01 nA.
If the photodiode is intended for recording photocurrents below 1 nA (for example, low levels of illumination in photometry: 0.01 – 0.1 lux) or for operation in high-speed devices, then the detected hysteresis phenomenon can significantly distort the results of photocurrent measurement.
Thus, the detection of this hysteresis in the low-current region by the created complex can be used to test manufactured photodiode structures (crystals) prior to assembly into a housing. Such selection will be effective for precision photodiodes designed to measure small fluxes of optical radiation. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2025.1-2.38 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 238 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
1
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
УДК 535.23:628.98:004.9:535-31:535.247
Олег КШЕВЕЦЬКИЙ, Юрій ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ, Ростислав ДЯЧУК
Україна, м. Чернівці, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
E-mail: y.dobrovolsky@chnu.edu.ua
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ВАХ Sі-ФОТОДІОДІВ
В ОБЛАСТІ МАЛИХ СТРУМІВ ЗА ДОПОМОГОЮ
КОМП’ЮТЕРИЗОВАНОГО ВИМІРЮВАЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ
Вольт-амперні характеристики (ВАХ) кремніє-
вих фотодіодів, як і усіх інших приладів з p–n-
переходами, дозволяють визначити їхню якість [1],
а для фотодіодів ВАХ також дозволяє оцінити вияв-
ну здатність приладу. Попри наявність стандартних
методик та різноманітних способів та методів їх по-
кращення [2 – 5] питання точного та коректного ви-
мірювання вольт-амперних характеристик фотодіо-
дів залишається актуальним завданням сучасної ви-
мірювальної техніки. Зазвичай, вимірювання ВАХ
фотодіодів зводиться до вимірювання падіння на-
пруги на певному резисторі [2] або до використан-
ня так званих перетворювачів струм-напруга [6], в
яких це перетворення здійснюється за допомогою
спеціа лізованих мікросхем. Останніми десятиліття-
ми вимірювання та оцінювання ВАХ напівпровід-
никових приладів (зокрема, фотодіодів [7 – 14]) про-
водиться за допомогою електронно-обчислювальної
техніки [11, 15], що спрощує оброблення результатів,
але водночас створює проблему точного моделюван-
ня процесу вимірювання.
В умовах розроблення та виробництва фотодіодів
темнові струми досліджуються, як правило, з метою
досягнення певного рівня цих струмів, глибокого ж
дослідження механізмів генерації темнового струму
зазвичай не проводиться. Отже, перед дослідниками
постає питання — як поводяться темнові струми фо-
тодіода, а саме — якою є динаміка їхніх малих зна-
чень (на рівні 10 – 9 А), коли фотодіод є ділянкою ви-
сокоомного електричного кола.
Метою цієї роботи було дослідження динаміч-
них вольт-амперних характеристик зразків кремні-
євих фотодіодів в області малих струмів за допомо-
гою розробленого комп’ютеризованого вимірюваль-
ного комплексу.
За допомогою розробленого комп’ютеризованого вимірювального комплексу досліджено динамічні вольт-амперні ха-
рактеристики фотодіодів в області малих струмів для випадку, коли фотодіод є ділянкою високоомного електрич-
ного кола. Показано, що фотодіоди проявляють гістерезис значень струму, причому тим більший, чим більша швид-
кість зміни напруги. Отримані результати можуть бути використані для відбору прецизійних фотодіодів, призна-
чених для фотометрії малих потоків оптичного випромінювання.
Ключові слова: фотодіод, темновий струм, вольт-амперна характеристика, вимірювання, програмна інженерія.
Методика проведення досліджень
Для проведення досліджень спочатку було прове-
дено тестування розробленої та виготовленої нами
спеціалізованої комп’ютеризованої установки на при-
кладі отримання та аналізу ВАХ кремнієвих фотодіо-
дів типу УФД-337 [16]. Методика вимірювань темно-
вого струму у цілому відповідає вимогам стандарт-
них методик, описаних, наприклад, у [17], але із сут-
тєвим доопрацюванням, описаним нижче.
Темновий струм фотодіодів вимірювався при змі-
щенні на переході від 10 мВ до 10 В, як вказано у
його паспорті [16].
Методика дослідження пояснюється схемою роз-
робленої установки з використанням комп’ютерного
вимірювального комплексу ITM (рис. 1) з оригіналь-
ним програмним забезпеченням, створеним метода-
ми програмної інженерії, яке дозволяє управляти ре-
жимом вимірювання (кількістю вимірів за секунду,
діапазоном вимірювань), створювати графічне пред-
ставлення результатів вимірювання та базу даних за
результатами вимірювання.
За допомогою батареї GB1, GB2, перемикача SA1,
резисторів R1, R2 та конденсатора C1 формується на-
пруга, плавно змінювана у часі. Швидкість змінюван-
ня напруги можна регулювати змінним резистором
R1. Резистор R2 призначено для обмеження струму.
Для вимірювання сили струму через фотодіод VD1
роль наноамперметра відіграють паралельно з’єднані
датчик PA1 та резистор R3 (шунт). Внутрішній опір
датчика PA1 становить понад 100 ГОм, що значно пе-
ревищує величину опору R3, а значення сили стру-
му при цьому отримується за величиною спаду на-
пруги на відомому резисторі R3. Калібрування дат-
чика PA1 відповідає конкретному значенню опору R3.
Максимально можливий струм через фотодіод VD1
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.38
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 39ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
2
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
залежить в основному від максимального значення
напруги, що подається на конденсатор C1, і величи-
ни R3. Для реєстрації напруги, що подається на по-
слідовно з’єднані фотодіод і “наноамперметр”, ви-
користовується датчик PV1. (Екранування та датчи-
ки показано на рисунку умовно, лише для ілюстрації
загального принципу дії установки, конкретні схеми
датчиків PA1 та PV1 та способи екранування на ри-
сунку не відображено.)
До складу вимірювальної приставки 1, що міс-
титься в заземленому металевому корпусі, входять
елементи схеми GB1, GB2, SA1, R1, R2, C1, R3, дея-
кі елементи датчика PA1 та досліджуваний фотоді-
од VD1. Датчики PA1 та PV1 також під’єднані до від-
повідних входів електронного блоку ITM. До скла-
ду електронного блоку входять, зокрема, 16-розряд-
ний аналого-цифровий перетворювач та мікро-ЕОМ.
Електронний блок своєю чергою під’єднаний до
ЕОМ (персонального комп’ютера). Комп’ютерний
вимірювальний комплекс (ЕОМ, електронний блок
ITM, датчики PA1 та PV1, програмне забезпечення
ITMlab) дозволяє вимірювати значення напруги та
сили струму через мінімальний інтервал часу 200 мкс.
Отримані дані можуть відображатися у числовому
вигляді на екрані комп’ютера або у вигляді графіків.
Експериментальні дані також можна експортувати до
Excel для подальшої обробки.
Результат експерименту відображається на екра-
ні комп’ютера у вигляді залежності сили струму че-
рез фотодіод (реєструє датчик PA1) від напруги, що
подається на послідовно з’єднані фотодіод і резис-
тор R3 (реєструє датчик PV1). Для отримання ВАХ
діода необхідно визначити напругу безпосередньо на
діоді, що легко зробити після експортування експе-
риментальних даних в Excel (необхідно відняти від
напруги, яку реєструє PV1, напругу на резисторі R3).
Тестування вимірювального комплексу
Як зазначалося вище, тестування створеного
комплексу здійснювалося шляхом вимірювання ди-
наміки темнових струмів фотодіода типу ФД 337. Це
кремнієвий фотодіод на основі кремнію n-типу про-
відності з питомим опором близько 1 кОм. Відтак,
його зворотний струм, виміряний при зміщенні
10 мВ, має складати не більше 10 – 10 А, при зміщен-
ні 10 В — не більше 5·10–8 А.
На рис. 2 – 4 представлено екранні копії тестуван-
ня комплексу з отриманими ВАХ фотодіодів. На всіх
трьох рисунках справа наведено графіки зміни при-
кладеної напруги у часі, а зліва — відповідні залеж-
ності сили струму від прикладеної напруги (ВАХ).
Дані на рис. 2 отримано для розірваного кола, до
якого прикладається напруга, що поступово зміню-
ється протягом понад 10 с: від +1,5 В до – 9 В (близь-
ко до 9-ї секунди) і далі у зворотному напрямку
до – 4,63 В. На відповідній ВАХ, що відображена злі-
ва, видно рівень шумів установки (близько 0,02 нА)
та незначний гістерезис (близько 0,0025 нА в момент
часу 10,32 с). (Для ідеальної установки має бути пря-
ма горизонтальна лінія в нулі.)
Результати, представлені на рис. 3, отримані у ви-
падку, коли до комплексу був підключений активний
опір 175 МОм. ВАХ резистора являє собою чітку пря-
му лінію. Лінії ВАХ, що відповідають зменшенню та
збільшенню прикладеної до резистора напруги, зли-
ваються (гістерезис та шуми дуже незначні порівня-
но з інтервалом зміни сили струму).
Результати вимірювань, коли до комплексу послі-
довно під’єднуються активний опір 100 МОм (шунт
“наноамперметра”) і конденсатор 270 пФ, встановле-
ний замість діода, представлено на рис. 4. На ВАХ до-
бре видно гістерезис, зумовлений наявністю конден-
Рис. 1. Схема та фотографія установки для отримання ділянки ВАХ фотодіодів в області малих струмів:
1 — вимірювальна приставка в заземленому металевому корпусі; 2 — електронний блок ITM; 3 — монітор ЕОМ
ЕОМ
Електронний
блок ІТМ
1 2 3 4
GB1
GB2
R2
100R1 10 кОм
С1
1100
SA1
V
PV1
PA1
A
R3
VD1
1
3
2
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 240 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
3
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Рис. 2. Результати, отримані для розімкненого кола (фотодіод не під’єднано)
Рис. 3. Результати, отримані для резистора 175 МОм
Рис. 4. Результати, отримані для послідовно з’єднаних резистора 100 МОм і конденсатора 270 пф
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 41ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
4
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
сатора 270 пФ. Напруга чотири рази зменшувалась і
чотири рази збільшувалась з однаковою швидкістю,
тому відповідні чотири лінії на ВАХ, що відповіда-
ють зменшенню напруги (знизу) зливаються; анало-
гічно чотири лінії на ВАХ, що відповідають збіль-
шенню напруги (зверху) також зливаються.
В результаті досліджень встановлено:
● інтервал зміни напруги становить від +1,5 В до
–9 В (може бути розширений при застосуванні інших
блоків живлення);
● кількість вимірів за секунду — до 5000 (може
бути збільшена при використанні більш високочас-
тотного контролера);
● роздільна здатність — до 0,02 нА.
Отримані результати вимірювань передаються
до комп’ютера і за допомогою спеціалізованого про-
грамного забезпечення можуть бути представлені у
графічному та табличному вигляді.
Дослідження ВАХ кремнієвих фотодіодів та
обговорення результатів
Дослідження проводились на двох фотодіодах
типу ФД 337 з порядковими номерами 2.6 та 2.10.
На рис. 5 наведено ділянки динамічних ВАХ фо-
тодіода 2.6 для малих струмів з відповідними часови-
ми залежностями напруги на вставках, що демонстру-
ють різницю у швидкості зміни прикладеної до фото-
діода напруги у цих двох випадках. ВАХ на рис. 5, а
отримано при більшій, ніж на рис. 5, б, швидкості,
тому й гістерезис тут більший.
На рис. 6 наведено ділянку динамічної ВАХ фо-
тодіода 2.10 для малих струмів і відповідну зміну з
часом напруги на послідовно з’єднаних фотодіоді
та резисторі R3 (100 МОм). Ділянки 1 і 2 ВАХ від-
повідають більшій швидкості зміни напруги, а ді-
лянка 3 — меншій. Чим менша швидкість зміни на-
пруги, тим більше динамічна ВАХ наближатиметь-
ся до статичної.
Невідповідність динамічних та статичних ВАХ
фотодіодів найімовірніше зумовлюється наявністю у
фотодіодів значної ємності. Для порівняння на рис. 7
наведено ділянки динамічних ВАХ діода 1N4148, що
має значно меншу ємність порівняно з фотодіодами,
та для паралельно з’єднаних діода 1N4148 з конден-
сатором 520 пФ для малих струмів, а також відповід-
Рис. 6. Динамічна ВАХ (темнова) фотодіода 2.10 (а) та відповідна зміна напруги з часом на послідовно з’єднаних
фотодіоді 2.10 та шунті (б)
Рис. 5. Динамічні ВАХ (темнові) фотодіода 2.6, отримані за різної швидкості зміни напруги (відповідні зміни напру-
ги у часі див. на вставках)
С
ил
а
ст
ру
му
, н
А
–8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0
Напруга, В
10
5
0
–5
–10
–15
Н
ап
ру
га
, В
0
–2
–4
–6
–8
0 1 2 3
Час, с
а)
С
ил
а
ст
ру
му
, н
А
–7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0
Напруга, В
5
0
–5
–10
–15
Н
ап
ру
га
, В
0
–2
–4
–6
–80 4 8 12 16
Час, с
б)
12
С
ил
а
ст
ру
му
, н
А
–7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0
Напруга, В
15
10
5
0
–5
–10
–15
а) б)
1
1
2
3
2
3
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 242 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
5
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
на часова залежність прикладеної до діода напруги.
Тут видно, що динамічні ВАХ діода 1N4148 без пара-
лельно під’єднаного конденсатора для різних напря-
мів зміни напруги дуже близькі (майже співпадають).
У наведених прикладах час, необхідний для отри-
мання ВАХ, становив не більше однієї хвилини (в
умовах налагодженої установки та під’єднаного фо-
тодіода), при цьому кількість точок ВАХ — більше
кількох тисяч (5000 вимірів за одну секунду). Всі ВАХ
були отримані за кімнатної температури. Зазначимо,
що оскільки величини напруги та струму, що вико-
ристовувались при отриманні ВАХ, були відносно
невеликими, нагріванням фотодіодів через Джоулево
тепло можна знехтувати.
Оскільки при зменшенні швидкості зміни напру-
ги на фотодіоді динамічні ВАХ наближаються до ста-
тичних, установку можна використовувати також для
отримання статичних ВАХ, а з аналізу динамічних
ВАХ у порівнянні зі статичними можна отримати до-
даткову інформацію про фотодіод.
Висновки
Зазвичай у серійному виробництві якість фотодіо-
дів за темновим струмом оцінюється відповідно
до певної норми: якщо він менше норми, фотодіод
вважається якісним за темновим струмом. В процесі
дослідження нами була вивчена поведінка темнових
струмів кремнієвих фотодіодів в області їхніх малих
значень: 10–10 – 10–7 А.
Результати експериментів показують, що у дослі-
джених фотодіодів спостерігається гістерезис дина-
мічних ВАХ в області струмів 1 –10 нА при від’ємній
напрузі від –10 до 0 В. Якщо структуру діода вико-
нано досконало у технологічному сенсі, то для ста-
тичних ВАХ такого гістерезису або не має бути зо-
всім, або він може бути у межах похибки вимірюван-
ня темнового струму, яка зазвичай складає біля 5%.
У нашому випадку перепад струму у петлі гістере-
зису на динамічних ВАХ тим більший, чим більша
швидкість зміни напруги, і в середньому складає біля
5 нА, що значно більше величини похибки вимірю-
вання (0,01 нА). Така зміна величини струму залежно
від того, збільшується зміщення на p–n-переході чи
зменшується, може здаватись не суттєвою, коли бра-
ковочне значення фотоструму для фотодіода є достат-
ньо високим, наприклад 100 нА. Якщо ж розглядати
випадки, коли фотодіод призначений для реєстрації
фотострумів на рівні 1 нА і менше (наприклад, низь-
кі рівні освітленості у фотометрії: 0,01 – 0,1 лк) або
для роботи у швидкодійних пристроях, то виявлене
у дослідах явище гістерезису може суттєво спотво-
рити результати вимірювання фотоструму.
Таким чином, виявлення за допомогою створено-
го комплексу описаного гістерезису в області малих
струмів може бути використане для тестування фо-
тодіодних структур (кристалів) після їх виготовлення
до збирання у корпус. Такий відбір буде ефективним
щодо прецизійних фотодіодів, призначених для вимі-
рювання малих потоків оптичного випромінювання.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Wu Yu., Xu Ch., Ren S. et al. Experimental measurements
and characterising of photodiodes. Proc. vol. 13255, International
Conference on Optoelectronic Information and Computer Engineering
(OICE 2024), 2024, 1325504, https://doi.org/10.1117/12.3039859
2. Bielecki Z., Achtenberg K., Kopytko M. et al. Review of
photodetectors characterization methods. Bull. Pol. Acad. Sci.
Tech. Sci., 2022, vol. 70, no. 2, e140534, https://doi.org/10.24425/
bpasts.2022.140534
3. Ocaya R. Contemporary Parameter Extraction Methods.
In: Extraction of Semiconductor Diode Parameters. Springer, Cham.,
2024, pp. 39–66. https://doi.org/10.1007/978-3-031-48847-4_3
4. Rogalski А. (Ed.) Infrared Photon Detectors. Washington, SPIE
Optical Engineering Press, 1995. 644 p.
5. Годованюк В.М. Конструкція та виготовлення порогового
ФД337А на основі монокристалічного кремнію. Науковий вісник
Чернівецького університету, 1998, вип. 40. c. 54 – 58.
6. Бутенко В.К., Годованюк В.М., Докторович І.В. Прецизійний
перетворювач струм-напруга. Науковий вісник ЧНУ, 2001,
вип. 102, Фізика. Електроніка, с. 84 – 85.
7. Kaplan H.K., Olkun A., Akay S.K. et al. Si-based photodiode
and material characterization of TiO2 thin film. Opt Quant Electron,
2021, vol. 53, article 248, https://doi.org/10.1007/s11082-021-02884-1
8. Aslanbaş G., Durmuş P., Altındal Ş. et al. The current–voltage
(I–V) characteristics and low–high impedance measurements (C/G–V)
of Au/(AgCdS:PVP)/n-Si Schottky diode (SD) at dark and under
illumination conditions. J Mater Sci: Mater Electron, 2024, vol. 35,
article 2278, https://doi.org/10.1007/s10854-024-14014-0
9. Surucu O., Yıldız D.E., Yıldırım M. A study on the dark
and illuminated operation of Al/Si3N4/p-Si Schottky photodiodes:
optoelectronic insights. Appl. Phys. A, 2024, vol. 130, article 103,
https://doi.org/10.1007/s00339-024-07284-2
10. Maddaka Reddeppa et al. Current–voltage characteristics and
deep-level study of GaN nanorod Schottky-diode-based photodetector.
Semicond. Sci. Technol., 2021, vol. 36, no. 3, 035010, https://doi.
org/10.1088/1361-6641/abda62
Рис. 7. Динамічні вольт-амперні характеристики діода
1N4148 та паралельно з’єднаних діода 1N4148 і конден-
сатора 520 пФ
С
ил
а
ст
ру
му
, н
А
–9 –8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0
Напруга на діоді, В
7
6
5
4
3
2
1
0
–1
–2
–3
–4
–5
–6
Н
ап
ру
га
на
д
іо
ді
, В
0
–2
–4
–6
–8
–10
0 2 4 6 8 10
Час, с
Діод + конденсатор
Діод
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 43ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
6
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Oleg KSHEVETSKYI, Yuriy DOBROVOLSKY,
Rostyslav DYACHUK
Ukraine, Chernivtsi, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University
E-mail: y.dobrovolsky@chnu.edu.ua
RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF Si-PHOTODIODES
IN THE REGION OF SMALL CURRENTS USING A COMPUTERIZED
MEASURING COMPLEX
Studies of the current-voltage characteristics (IVC) of photodiodes, like all other devices that have a p-n junction, allow us
to determine their quality, as well as compliance with the stated requirements for reverse current. In our case, silicon-based
photodiodes are considered. For them, the value of the reverse, or otherwise - dark current, allows us to estimate an important
parameter - the detectivity of the device.
There are many standard methods and ways to measure the dark current of a photodiode, but the issue of accurate and correct
measurement of the current-voltage characteristics of photodiodes remains an urgent task of modern measuring equipment.
Also, an equally urgent issue is ensuring the processing of a large array of data obtained during measurements, their storage,
processing and graphical representation, which is achieved by software and computer engineering methods. To solve these
problems, we have developed, manufactured and investigated a specialized original computerized complex for studying the
dynamic IVC of photodiodes in the range of small currents.
The study of the complex, from the point of view of measuring the dark current, was carried out on silicon photodiodes of the
type UFD-337.
The study of the complex showed that the complex has the following technical characteristics. The voltage change interval
is from + 1.5 V to – 9 V and can be expanded when using other power supplies. The number of measurements of dark
current values per second is up to 5000, and can be increased when using a higher-frequency controller. The resolution when
measuring the dark current is 0.02 nA.
The service functions provided by specialized software are the selection and transmission of measurement results to a computer,
which can be presented in graphical and tabular form.
When studying the dynamic I-V characteristics of silicon photodiodes of the type FD 337 in the region of small currents, the
phenomenon of hysteresis of current values was discovered. Moreover, the hysteresis was observed to be greater the greater the
rate of voltage change, namely in the range from negative voltage from minus 10 V to 0 V. In this voltage range, dark current
fluctuations were found to be in the range from 1 to 10 nA.
According to the results of the study, the created complex can be recommended for testing precision photodiode crystals
intended for measuring small fluxes of optical radiation, before assembly into a housing.
Keywords: photodiode, dark current, current-voltage characteristic, measurement, software engineering.
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.38
UDC 535.23:628.98:004.9:535-31:535.247
11. Yukselturk E., Surucu O., Terlemezoglu M. et al. Illumination
and voltage effects on the forward and reverse bias current–voltage
(I-V) characteristics in In/In2S3/p-Si photodiodes. J Mater Sci: Mater
Electron, 2021, vol. 32, pp. 21825 – 21836, https://doi.org/10.1007/
s10854-021-06378-4
12. Demirezen S., Al-Sehemi A.G., Yuzer A. et al. Electrical
characteristics and photosensing properties of Al/symmetrical
CuPc/p-Si photodiodes. J Mater Sci: Mater Electron 33, 2022,
р. 21011 – 21021, https://doi.org/10.1007/s10854-022-08906-2
13. Gurgenc E., Dikici A., Aslan F. Investigation of structural,
electrical and photoresponse properties of composite based
Al/NiO:CdO/p-Si/Al photodiodes, Physica B: Condensed Matter,
2022, vol. 639, 413981, https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413981
14. Choe K.K., McClory J.W., Kemnitz R.A. et al. The effects
of proton irradiation on the current–voltage and capacitance–voltage
characteristics of GeSn/Si photodiodes. MRS Advances, 2025, https://
doi.org/10.1557/s43580-024-01103-9
15. Воробець Г.І., Воропаєва С.Л., Добровольський Ю.Г.,
Іванущак Н.М. Алгоритм і програмне забезпечення оптимі-
зації технічних параметрів фотодетекторів. Науковий вісник
Чернівецького університету, 2009, вип. 446: Комп’ютерні сис-
теми та компоненти, c. 112 – 116.
16. Фотодіод ФД 337. URL: https://standart-pribor.com.ua/
product/fotodiod-fd-337
17. Годованюк В.М., Бутенко В.К., Докторович І.В., Юр’єв
В.Г. Основи метрології фотоприймачів видимого, ультрафіоле-
тового та інфрачервоного діапазонів : навч. посібник. Чернівці :
Чернівецький нац. ун-т, 2014.– 440 с
Дата надходження рукопису
до редакції 31.05 2025 р.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 244 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
7
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
REFERENCES
1. Wu Yu., Xu Ch., Ren S. et al. Experimental measurements
and characterising of photodiodes. Proc. vol. 13255, International
Conference on Optoelectronic Information and Computer Engineering
(OICE 2024), 1325504, 2024, https://doi.org/10.1117/12.3039859
2. Bielecki Z., Achtenberg K., Kopytko M. et al. Review of
photodetectors characterization methods. Bull. Pol. Acad. Sci.
Tech. Sci., 2022, vol. 70, no. 2, e140534, https://doi.org/10.24425/
bpasts.2022.140534
3. Ocaya R. Contemporary Parameter Extraction Methods. In:
Extraction of Semiconductor Diode Parameters. Springer, Cham.,
2024, pp. 39 – 66. https://doi.org/10.1007/978-3-031-48847-4_3
4. Rogalski А. (Ed.) Infrared Photon Detectors. Washington, SPIE
Optical Engineering Press, 1995. 644 p.
5. Godovaniuk V.M. [Design and manufacturing of the thresh-
old FD337A on the basis of single crystal silicon]. Naukovyi visnyk
Chernivetskoho universytetu, 1998, iss. 40, pp. 54 – 58. (Ukr)
6. Butenko V.K., Godovaniuk V.M., Doktorovych I.V. [Precision
current-voltage converter]. Naukovyi visnyk Chernivetskoho univer-
sytetu, 2001, iss. 102: Physics. Electronics, pp. 84 – 85. (Ukr)
7. Kaplan H.K., Olkun A., Akay S.K. et al. Si-based photodiode
and material characterization of TiO2 thin film. Opt Quant Electron,
2021, vol. 53, article 248, https://doi.org/10.1007/s11082-021-02884-1
8. Aslanbaş G., Durmuş P., Altındal Ş. et al. The current–voltage
(I–V) characteristics and low–high impedance measurements (C/G–V)
of Au/(AgCdS:PVP)/n-Si Schottky diode (SD) at dark and under il-
lumination conditions. J Mater Sci: Mater Electron, 2024, vol. 35,
article 2278, https://doi.org/10.1007/s10854-024-14014-0
9. Surucu O., Yıldız D.E., Yıldırım M. A study on the dark and
illuminated operation of Al/Si3N4/p-Si Schottky photodiodes: opto-
electronic insights. Appl. Phys. A, 2024, vol. 130, article 103, https://
doi.org/10.1007/s00339-024-07284-2
10. Maddaka Reddeppa et al. Current–voltage characteristics and
deep-level study of GaN nanorod Schottky-diode-based photodetec-
tor. Semicond. Sci. Technol., 2021, vol. 36, no. 3, 035010, https://doi.
org/10.1088/1361-6641/abda62
11. Yukselturk E., Surucu O., Terlemezoglu M. et al. Illumination
and voltage effects on the forward and reverse bias current–voltage
(I-V) characteristics in In/In2S3/p-Si photodiodes. J Mater Sci: Mater
Electron, 2021, vol. 32, pp. 21825 – 21836, https://doi.org/10.1007/
s10854-021-06378-4
12. Demirezen S., Al-Sehemi A.G., Yuzer A. et al. Electrical
characteristics and photosensing properties of Al/symmetrical
CuPc/p-Si photodiodes. J Mater Sci: Mater Electron 33, 2022,
рр. 21011 – 21021, https://doi.org/10.1007/s10854-022-08906-2
13. Gurgenc E., Dikici A., Aslan F. Investigation of structural, elec-
trical and photoresponse properties of composite based Al/NiO:CdO/
p-Si/Al photodiodes, Physica B: Condensed Matter, 2022, vol. 639,
413981, https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413981
14. Choe K.K., McClory J.W., Kemnitz R.A. et al. The effects
of proton irradiation on the current–voltage and capacitance–voltage
characteristics of GeSn/Si photodiodes. MRS Advances, 2025, https://
doi.org/10.1557/s43580-024-01103-9
15. Vorobets G.I., Voropaeva S.L., Dobrovolskyi Y.G.,
Ivanushchak N.M. Algorithm and software for optimisation of tech-
nical parameters of photodetectors. Naukovyi visnyk Chernivetskoho
universytetu, 2009, iss. 446: Computer systems and components.
pp. 112 – 116. (Ukr)
16. Photodiode FD-337. URL: https://standart-pribor.com.ua/
product/fotodiod-fd-337/
17. Godovaniuk V.M., Butenko V.K., Doktorovych I.V., Yuriev
V.G. [Fundamentals of metrology of photodetectors of visible, ultra-
violet and infrared ranges: a textbook]. Chernivtsi: Chernivtsi National
University, 2014. 440 p. (Ukr)
Copyright: © 2025 by the authors. Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-379 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-13T01:00:29Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/3d/d8ca63620a8fa444c475b9e82f87113d.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-3792026-06-12T12:19:16Z Research of dynamic characteristics of Si-photodiodes in the region of small currents using a computerized measuring complex Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу Kshevetskyi, Oleg Dobrovolsky, Yuriy Diachuk, Rostyslav photodiode dark current current-voltage characteristic measurement software engineering фотодіод темновий струм вольт-амперна характеристика вимірювання програмна інженерія Studying the current-voltage characteristics (IVC) of photodiodes, as well as any other device with a p–n junction, allows us to determine their quality and compliance with the stated requirements for reverse dark current. However, in the development and production of photodiodes, dark currents are usually investigated with the aim of achieving a certain level. The mechanisms of dark current generation are rarely studied in detail. Some researchers are faced with the problem of the dynamics of small values of dark current (at the level of 10–9 A), when the photodiode is a part of a high-resistance electrical circuit. This study investigated the dynamic IVC of silicon photodiode samples in the zone of small currents using a newly developed, specialised, computerised system. To carry out the research, we first tested the original computerised setup we had developed and manufactured by measuring the dynamics of dark currents of a UFD 337 type photodiode. The tests allowed establishing that the voltage changes within the range from +1.5 to –9 V (which can be expanded by using other power sources), the number of measurements of dark current values per second is up to 5000 (can be increased when using a higher-frequency controller), and the resolution when measuring dark current is 0.02 nA. During our research, we studied the behaviour of the dark currents of silicon photodiodes over a range their lower values: 10–10–10–7 A. The experimental results show that the investigated photodiodes have hysteresis of dynamic I–V characteristics in the range of currents of 1–10 nA at a negative voltage from 10 to 0 V. If the diode structure is technologically perfect, then for static IVCs such hysteresis should either not exist at all or may be within the dark current measurement error, which is usually about 5%. In our case, the current drop in the hysteresis loop on the dynamic IVCs increases with the voltage change rate. On average, it is about 5 nA, which is much larger than the measurement error of 0.01 nA. If the photodiode is intended for recording photocurrents below 1 nA (for example, low levels of illumination in photometry: 0.01 – 0.1 lux) or for operation in high-speed devices, then the detected hysteresis phenomenon can significantly distort the results of photocurrent measurement. Thus, the detection of this hysteresis in the low-current region by the created complex can be used to test manufactured photodiode structures (crystals) prior to assembly into a housing. Such selection will be effective for precision photodiodes designed to measure small fluxes of optical radiation. За допомогою розробленого комп’ютеризованого вимірювального комплексу досліджено динамічні вольт-амперні характеристики фотодіодів в області малих струмів для випадку, коли фотодіод є ділянкою високоомного електричного кола. Показано, що фотодіоди проявляють гістерезис значень струму, причому тим більший, чим більша швидкість зміни напруги. Отримані результати можуть бути використані для відбору прецизійних фотодіодів, призначених для фотометрії малих потоків оптичного випромінювання. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.38 10.15222/TKEA2025.1-2.38 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 38-44 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 38-44 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.38/333 Copyright (c) 2025 Oleg Kshevetskyi, Yuriy Dobrovolsky, Rostyslav Dyachuk http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | фотодіод темновий струм вольт-амперна характеристика вимірювання програмна інженерія Kshevetskyi, Oleg Dobrovolsky, Yuriy Diachuk, Rostyslav Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title | Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title_alt | Research of dynamic characteristics of Si-photodiodes in the region of small currents using a computerized measuring complex |
| title_full | Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title_fullStr | Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title_full_unstemmed | Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title_short | Дослідження динамічних ВАХ Si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| title_sort | дослідження динамічних вах si-фотодіодів в області малих струмів за допомогою комп’ютеризованого вимірювального комплексу |
| topic | фотодіод темновий струм вольт-амперна характеристика вимірювання програмна інженерія |
| topic_facet | photodiode dark current current-voltage characteristic measurement software engineering фотодіод темновий струм вольт-амперна характеристика вимірювання програмна інженерія |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.38 |
| work_keys_str_mv | AT kshevetskyioleg researchofdynamiccharacteristicsofsiphotodiodesintheregionofsmallcurrentsusingacomputerizedmeasuringcomplex AT dobrovolskyyuriy researchofdynamiccharacteristicsofsiphotodiodesintheregionofsmallcurrentsusingacomputerizedmeasuringcomplex AT diachukrostyslav researchofdynamiccharacteristicsofsiphotodiodesintheregionofsmallcurrentsusingacomputerizedmeasuringcomplex AT kshevetskyioleg doslídžennâdinamíčnihvahsifotodíodívvoblastímalihstrumívzadopomogoûkompûterizovanogovimírûvalʹnogokompleksu AT dobrovolskyyuriy doslídžennâdinamíčnihvahsifotodíodívvoblastímalihstrumívzadopomogoûkompûterizovanogovimírûvalʹnogokompleksu AT diachukrostyslav doslídžennâdinamíčnihvahsifotodíodívvoblastímalihstrumívzadopomogoûkompûterizovanogovimírûvalʹnogokompleksu |