发光二极管参数的测量

发光二极管参数的测量 1 发光二极管（light emission diode LED）图1显示了LED的结构截面图。要使LED发光，有源层的半导体必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合发射出 光子。为了使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构。 P电极（＋） P型隔离层 光 有源层 N型隔离层 N型衬底 N电极(-) 图1 边发射LED结构截面 2 LED LED 是一种直接注入电流的发光器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能 级时，发射出光子的结果，这就是通常所说的自发发射跃迁。当LED的PN结加上正向偏压，注入的少数载流子和多数载流子（电子和空穴）复合而发光。值得注意的是，对于大量 处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为ν ＝E /h的光波，但各列光波之间g没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向 传播，这个过程称为自发发射。其发射波长可用下式来表示： λ(μm)＝1.2396/E(eV) g 二 发光二极管的特性及测试方法 1 LED 由于LED没有光学谐振腔选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，图2显示出了LED的典型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值 波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为谱线宽度（简称线宽），其典型值在30－40nm之间。峰值波长和谱线宽度的测试方法如图3所示，当被测器件的正向工作电流达 到值时，旋转单色仪波鼓，使指示器达到最大值，读出波长峰值，此即为该器件的发光 峰值波长。在旋转单色仪波鼓（朝相反方向各转一次），使指示器读数为最大值的一半时， 读出两个等于最大值一半的数值，两者之差即为光谱谱线宽度。 1 25? 60? 0.5 波长 图2 LED的光谱曲线 LED 探指单测示 色恒流源 器器 仪 图3 LED的峰值波长和线宽测试方框图 由图2可以看出，当器件温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从峰值波长的变化可以 求出LED的波长温度系数。 2 LED LED通常都具有图4所示的较好的伏安特性。当LED管芯通过正向电流为规定的值时，正、负极之间产生的电压降，即为正向亚降（以V 表示，单位为V），由于正向电阻比较小，F故V一般都较低，图5示出了V的测试原理图 FF I mA 恒流源 V V 图4 LED的伏安特性曲线 图5 LED的正向压降测试原理 3 LED 和脉冲输出功率。所谓直流输出功率是指在规定的正向直流工o电光转换特性是LED的光输出功率与注入电流的关系曲线，即P－I曲线，因为是自发作电流下，LED所发出的光功率，图7是测试原理图。测试时，把LED和接受器置于同一辐射光，所以P－I曲线的线性范围比较大如图6所示。LED的输出光功率是LED重要参数暗盒中，使发光面和接受面相互平行且尽量靠近。调解恒流源，使其正向电流I位规定值，之一，分为直流输出功率PF指示器上的读数即为被测LED的直流输出光功率。所谓脉冲输出光功率是指在规定的幅度、 频率和占空比的矩形脉冲电流作业下，LED发光面所发射出的光功率。测试时把LED和接收器置于同一暗盒中，使发光面和接受面互相平行且靠近。调节脉冲源，使其峰值电流IP为规定值时，指示器上的读数即为被测LED的脉冲输出光功率值，图8是测试原理图，图中R为取样电阻。脉冲峰值输出光功率和平均输出光功率的关系为： L PAV P,PDR 式中，P为脉冲输出光功率，P为脉冲平均输出光功率，D为脉冲波占空比。 PAVR P 正向电流（mA） I 图6 LED的P－I曲线 指接示收器 器 恒流源 暗盒 图7直流输出功率测试原理图 指接示收器 器 矩形 示脉冲器 波器 图8 脉冲输出光功率的测试原理图 4 LEDθθ 1/21/2 辐射强度空间分布是指LED在规定的正向工作电流下垂直和平行于PN结方向强度随空间角度的分布图，它的分别影响到与光纤之间的耦合效率。测试时把LED置于预定的位置上，调节恒流源，使工作电流为规定值，从0到90度转动发光器件，读取不同角度下指 示器上的辐射强度值，然后在极坐标或直角坐标上分别作出相应点的角度与辐射强度关系 图，即为辐射强度空间分布图。在分布图上读取半强度值点的角度θ和θ，则半角值 12 (,),,,,,(,),,,,1/2,,2,11/2//2//1//其中(,)(,)为垂直与PN结方向的半角值，为平行于PN结方向的半角。图9出示1/2,1/2// 了半角值的测量原理，图中：L为LED发光面于接收面的距离，OO为主光轴。调节时，12LED的出光面和接收器的光敏面应垂直于主光轴，L于接收光敏面直径之比至少应为10：1。 光栏 指接OO12 示收器 器 恒流源 暗盒 图9 LED的半角测试原理图 5 LED 当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实 现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，图10示出这两种 调制方式。调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光通信中的传输速度大小，LED因受有源区内少子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十 兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，但是，通过合理的设计和优化的驱 动电路，LED也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是在保证调不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一 半时(-3dB）的频率就是LED的调制带宽，图11示出了调制带宽的测试原理图。图中L为频扼线圈，C为隔直流电容，R为负载匹配电阻。测量的方式是调节恒流源，使电流表读C 数为规定值，从选定的低频开始，调节信号源输出，把输出的正弦调制光对准探测器的光敏 面，改变信号源的频率，并保证调制度不变，当指示器上指示的光功率下降到选定的低频参 考频率值的-3dB时，信号源的频率即为光的带宽。测量要求是：选择R使LED回路与信c 号源输出阻抗匹配光电探测器（包括输出回路）的频率响应比被测LED至少高5倍；指示 器应能对光功率或电功率的交流成分相对值进行直接指示。 光输出 LED输出波形 电流时间 电流 时间 电流 图10a LED数字调制 驱动电流 LED输出波形 时间 电流 图10a LED模拟调制 电流 电流 驱动电流 三 实验和步骤 1 测量LED的峰值波长和线宽 2 测量LED的伏安特性 光输出 3 测量LED的P－I曲线（直流和交流） 4 测量LED的半值角 5 测量LED的调制特性并指出其调制带宽（数字和模拟） 四 实验仪器 发光二极管2支、恒流源、电流表、电压表、激光二极管自动测试系统、单色仪、脉冲信号发生器、正弦信号发生器、示波器、电阻