LED和LD的光源特性测试实验.doc

LD/LED光源特性测试实验 实验目的 通过测量LED发光二极管和LD半导体激光器的输出功率－电流（P-I）特性曲线和特性，LED发光二极管和LD半导体激光器工作特性。 实验原理 .1 LD工作原理 从激光物理学中我们知道，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反转分布。正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴则相反。如果我们用电注入等方法，使 p-n结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别达到平衡，如图1所示，那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。注入区称为载流子分布反转区或作用区。 结型半导体激光器通常用与 p-n结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。大部分光子一旦产生便穿出 p-n结区，但也有一部分光子在 p-n结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生出许多同样的光子。这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。 图1半导体激光器的能带图 .2 LED工作原理 发光二极管是大多由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2所示。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 图2 LED发光原理 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。我们把发光的复合量与总复合量的比值称为内量子效率 （1.1） 式中，Nr为产生的光子数，G为注入的电子-空穴对数。但是，产生的光子又有一部分会被LED材料本射吸收，而不能全部射出器件之外。作为一种发光器件，我们更感兴趣的是它能发出多少光子，表征这一性能的参数就是外量子效率 （1.2） 式中，NT为器件射出的光子数。 发光二极管所发之光并非单一波长，如图3所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。 图3 LED光谱图 .3 LED/LD的P-I特性 在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性曲线有很大的差别，如图所示。LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线，只有当电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。 图 LED/LD的P-I特性曲线 对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于0，此时半导体激光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于0，但尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射；当注入电流增大到某一数值时，增益克服损耗，半导体激光器输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流Ith 。 由图可以看出，注入电流较低时，输出功率随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并超出阈值电流后，输出功率陡峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流Ith 。可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD 。其具有如下关系： （1.3） 因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。 .4 LD的温度特性 由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的近似关系可以表示为：