發(fā)光二極管的主要參數(shù)及測(cè)量方法.doc

發(fā)光二極管參數(shù)的測(cè)量一 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和基本原理1 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)光P電極（）N電極(-)有源層N型隔離層P型隔離層N型襯底圖1 邊發(fā)射LED結(jié)構(gòu)截面發(fā)光二極管（light emission diode LED）圖1顯示了LED的結(jié)構(gòu)截面圖。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必須是直接帶隙材料，越過(guò)帶隙的電子和空穴能夠直接復(fù)合發(fā)射出光子。為了使器件有好的光和載流子限制，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)。2 LED的基本工作原理 LED 是一種直接注入電流的發(fā)光器件，是半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射出光子的結(jié)果，這就是通常所說(shuō)的自發(fā)發(fā)射躍遷。當(dāng)LED的PN結(jié)加上正向偏壓，注入的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子（電子和空穴）復(fù)合而發(fā)光。值得注意的是，對(duì)于大量處于高能級(jí)的粒子各自分別自發(fā)發(fā)射一列一列角頻率為 Eg/h的光波，但各列光波之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個(gè)粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播，這個(gè)過(guò)程稱為自發(fā)發(fā)射。其發(fā)射波長(zhǎng)可用下式來(lái)表示：(m)1.2396/Eg(eV)二 發(fā)光二極管的特性及測(cè)試方法1 LED的光譜特性及測(cè)試方法由于LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，所以它的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的光譜，圖2顯示出了LED的典型光譜曲線。發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為發(fā)光峰值波長(zhǎng)，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差稱為譜線寬度（簡(jiǎn)稱線寬），其典型值在3040nm之間。峰值波長(zhǎng)和譜線寬度的測(cè)試方法如圖3所示，當(dāng)被測(cè)器件的正向工作電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)單色儀波鼓，使指示器達(dá)到最大值，讀出波長(zhǎng)峰值，此即為該器件的發(fā)光峰值波長(zhǎng)。在旋轉(zhuǎn)單色儀波鼓（朝相反方向各轉(zhuǎn)一次），使指示器讀數(shù)為最大值的一半時(shí)，讀出兩個(gè)等于最大值一半的數(shù)值，兩者之差即為光譜譜線寬度。0.51相對(duì)功率圖2 LED的光譜曲線波長(zhǎng)2560單色儀恒流源LED探測(cè)器指示器圖3 LED的峰值波長(zhǎng)和線寬測(cè)試方框圖由圖2可以看出，當(dāng)器件溫度升高時(shí)，光譜曲線隨之向右移動(dòng)，從峰值波長(zhǎng)的變化可以求出LED的波長(zhǎng)溫度系數(shù)。2 LED的伏安特性及測(cè)試方式恒流源VmA圖5 LED的正向壓降測(cè)試原理IV圖4 LED的伏安特性曲線LED通常都具有圖4所示的較好的伏安特性。當(dāng)LED管芯通過(guò)正向電流為規(guī)定的值時(shí)，正、負(fù)極之間產(chǎn)生的電壓降，即為正向壓降（以VF表示，單位為V），由于正向電阻比較小，故VF一般都較低，圖5示出了VF的測(cè)試原理圖3 LED的電光轉(zhuǎn)換特性及測(cè)試方法電光轉(zhuǎn)換特性是LED的光輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線，即PI曲線，因?yàn)槭亲园l(fā)輻射光，所以PI曲線的線性范圍比較大如圖6所示。LED的輸出光功率是LED重要參數(shù)之一，分為直流輸出功率Po和脈沖輸出功率。所謂直流輸出功率是指在規(guī)定的正向直流工作電流下，LED所發(fā)出的光功率，圖7是測(cè)試原理圖。測(cè)試時(shí)，把LED和接受器置于同一暗盒中，使發(fā)光面和接受面相互平行且盡量靠近。調(diào)解恒流源，使其正向電流IF位規(guī)定值，指示器上的讀數(shù)即為被測(cè)LED的直流輸出光功率。所謂脈沖輸出光功率是指在規(guī)定的幅度、頻率和占空比的矩形脈沖電流作業(yè)下，LED發(fā)光面所發(fā)射出的光功率。測(cè)試時(shí)把LED和接收器置于同一暗盒中，使發(fā)光面和接受面互相平行且靠近。調(diào)節(jié)脈沖源，使其峰值電流IP為規(guī)定值時(shí)，指示器上的讀數(shù)即為被測(cè)LED的脈沖輸出光功率值，圖8是測(cè)試原理圖，圖中RL為取樣電阻。脈沖峰值輸出光功率和平均輸出光功率的關(guān)系為：式中，PP為脈沖輸出光功率，PAV為脈沖平均輸出光功率，DR為脈沖波占空比。PI正向電流（mA）圖6 LED的PI曲線恒流源接收器指示器暗盒圖7直流輸出功率測(cè)試原理圖矩形脈沖器示波器接收器指示器圖8 脈沖輸出光功率的測(cè)試原理圖 4 LED的輻射強(qiáng)度空間分別和半角值1/21/2輻射強(qiáng)度空間分布是指LED在規(guī)定的正向工作電流下垂直和平行于PN結(jié)方向強(qiáng)度隨空間角度的分布圖，它的分別影響到與光纖之間的耦合效率。測(cè)試時(shí)把LED置于預(yù)定的位置上，調(diào)節(jié)恒流源，使工作電流為規(guī)定值，從0到90度轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)光器件，讀取不同角度下指示器上的輻射強(qiáng)度值，然后在極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)上分別作出相應(yīng)點(diǎn)的角度與輻射強(qiáng)度關(guān)系圖，即為輻射強(qiáng)度空間分布圖。在分布圖上讀取半強(qiáng)度值點(diǎn)的角度1和2，則半角值其中為垂直與PN結(jié)方向的半角值，為平行于PN結(jié)方向的半角。圖9出示了半角值的測(cè)量原理，圖中：L為L(zhǎng)ED發(fā)光面于接收面的距離，O1O2為主光軸。調(diào)節(jié)時(shí)，LED的出光面和接收器的光敏面應(yīng)垂直于主光軸，L于接收光敏面直徑之比至少應(yīng)為10：1。O1O2恒流源接收器指示器暗盒圖9 LED的半角測(cè)試原理圖光欄5 LED的調(diào)制特性當(dāng)在規(guī)定的直流正向工作電流下，對(duì)LED進(jìn)行數(shù)字脈沖或模擬信號(hào)電流調(diào)制，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光功率的調(diào)制。LED有兩種調(diào)制方式，即數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，圖10示出這兩種調(diào)制方式。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用LED的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受有源區(qū)內(nèi)少子壽命的限制，其調(diào)制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用，但是，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，LED也有可能用于高速光纖通信系統(tǒng)。調(diào)制帶寬是衡量LED的調(diào)制能力，其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時(shí)(-3dB）的頻率就是LED的調(diào)制帶寬，圖11示出了調(diào)制帶寬的測(cè)試原理圖。圖中L為頻扼線圈，C為隔直流電容，RC為負(fù)載匹配電阻。測(cè)量的方式是調(diào)節(jié)恒流源，使電流表讀數(shù)為規(guī)定值，從選定的低頻開始，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出，把輸出的正弦調(diào)制光對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器的光敏面，改變信號(hào)源的頻率，并保證調(diào)制度不變，當(dāng)指示器上指示的光功率下降到選定的低頻參考頻率值的-3dB時(shí)，信號(hào)源的頻率即為光的帶寬。測(cè)量要求是：選擇Rc使LED回路與信號(hào)源輸出阻抗匹配光電探測(cè)器（包括輸出回路）的頻率響應(yīng)比被測(cè)LED至少高5倍；指示器應(yīng)能對(duì)光功率或電功率的交流成分相對(duì)值進(jìn)行直接指示。光輸出電流電流電流時(shí)間LED輸出波形時(shí)間圖10a LED數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流LED輸出波形電流電流電流驅(qū)動(dòng)電流時(shí)間光輸出圖10a LED模擬調(diào)制三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 1 測(cè)量LED的峰值波長(zhǎng)和線寬 2