光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)號光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目：LD/藍(lán)光LED特性測試實(shí)驗(yàn)作 者肖劍洪班 級1003班學(xué) 院物理與電子學(xué)院專 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師梅孝安職 稱副教授完成時間2013.06- 0 -課程設(shè)計(jì)目錄一、引言 -1二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容-2四、實(shí)驗(yàn)原理 -2五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟-6六、注意事項(xiàng)-8七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析-8八、結(jié)論與心得-16 - 0 -課程設(shè)計(jì)LD/藍(lán)光LED特性測試實(shí)驗(yàn)摘要：由于物理學(xué)的重大突破，半導(dǎo)體技術(shù)在20世紀(jì)取得了驚人的進(jìn)步。尤其是最近這幾十年，半導(dǎo)體技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。在這股浪潮的推動下，工農(nóng)業(yè)和國防領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大變化。同時，也為技

2、術(shù)創(chuàng)新打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。從全球來看，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已形成以美國、亞洲、歐洲三大區(qū)域?yàn)橹鲗?dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競爭格局。隨著市場的快速發(fā)展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛擴(kuò)產(chǎn)，加快搶占市場份額。關(guān)鍵詞：LD/LED、半導(dǎo)體一、引言由于物理學(xué)的重大突破，半導(dǎo)體技術(shù)在20世紀(jì)取得了驚人的進(jìn)步。尤其是最近這幾十年，半導(dǎo)體技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。在這股浪潮的推動下，工農(nóng)業(yè)和國防領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大變化。同時，也為技術(shù)創(chuàng)新打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。處于時代技術(shù)前沿的我們，應(yīng)當(dāng)繼承前人開拓精神，培養(yǎng)自己的開發(fā)和創(chuàng)新恩能夠力，不斷的對原有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。本文所設(shè)計(jì)的LD/LED特性測試（藍(lán)光發(fā)光強(qiáng)度）就是一個

3、例子。LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，簡稱LED,，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LD（Laser Diode），激光二極管，簡稱LD,，利用光學(xué)諧振腔，使光子在平行的鏡面間不斷地來回反射，每反射一次能量便得到進(jìn)一步的放大，反復(fù)重復(fù)，就使得受激輻射趨于占壓倒的優(yōu)勢，即在垂直于反射面的方向上形成激光輸出。從全球來看，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已形成以美國、亞洲、歐洲三大區(qū)域?yàn)橹鲗?dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競爭格局。隨著市場的快速發(fā)展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛擴(kuò)產(chǎn)，加快搶占市場份額。根據(jù)全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，預(yù)計(jì)LED半導(dǎo)體照明將使

4、全球照明用電減少一半。中國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國家半導(dǎo)體照明工程”的推動下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚(yáng)州和石家莊七個國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地。長三角、珠三角、閩三角以及北方地區(qū)則成為中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集地。市場發(fā)展需要，中國年產(chǎn)500KK支，市場需求1000KK，但測試設(shè)備的整體化還比較落后，一體化不高。由于市場的需要，科研院所和高校也相關(guān)設(shè)備需求量大增。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)通過從LD/LED的光學(xué)特性（發(fā)射光譜、發(fā)

5、射角、發(fā)散角）、電學(xué)特性（P-I特性和V-I特性）、熱學(xué)特性（溫度對閾值電流和輸出照度的影響）和色度學(xué)特性（發(fā)光體的單色性及顏色分布）5大特性進(jìn)行描述，并通過對其工作原理的講解，讓學(xué)生對LD/LED有一個清晰認(rèn)識。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、量LED的I-V-E曲線熟悉照度和光通量的概念（電學(xué)、光學(xué)特性）；2、量LED的散射角（光學(xué)特性）；3、量LED的光譜單色性（光學(xué)特性）；4、量LED隨溫度（T）的變化對其波長漂移的影響（熱學(xué)特性）；5、量LD的I-V-E曲線熟悉照度和光通量的感念（電學(xué)、光學(xué)特性）；6、量LD的發(fā)散角（光學(xué)特性）；7、量LD的光譜范圍（光學(xué)特性）； 8、測量LD隨溫度（T）的變化對其

6、波長漂移的影響（熱學(xué)特性）；四、實(shí)驗(yàn)原理 1、LED工作原理發(fā)光二極管是大多由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖5.1所示。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合

7、發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。我們把發(fā)光的復(fù)合量與總復(fù)合量的比值稱為內(nèi)量子效率 （5.1）式中，Nr為產(chǎn)生的光子數(shù)，G為注入的電子-空穴對數(shù)。但是，產(chǎn)生的光子又有一部分會被LED材料本射吸收，而不能全部射出器件之外。作為一種發(fā)光器件，我們更感興趣的是它能發(fā)出多少光子，表征這一性能的參數(shù)就是外量子效率 （5.2）式中，NT為器件射出的光子數(shù)。發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，如圖5.2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長0的光強(qiáng)最大，該波長為峰值波長。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長與

8、發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。 圖5.1 LED發(fā)光原理 圖5.2 LED光譜圖2、LD工作原理從激光物理學(xué)中我們知道，半導(dǎo)體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指載流子的反轉(zhuǎn)分布。正常條件下，電子總是從低能態(tài)的價帶填充起，填滿價帶后才能填充到高能態(tài)的導(dǎo)帶；而空穴則相反。如果我們用電注入等方法，使 p-n結(jié)附近區(qū)域形成大量的非平衡載流子，即在小于復(fù)合壽命的時間內(nèi)，電子在導(dǎo)帶，空穴在價帶分別達(dá)到平衡，如圖5.3所示，那么在此注入?yún)^(qū)內(nèi)，這些簡并化分

9、布的導(dǎo)帶電子和價帶空穴就處于相對反轉(zhuǎn)分布，稱之為載流子反轉(zhuǎn)分布。注入?yún)^(qū)稱為載流子分布反轉(zhuǎn)區(qū)或作用區(qū)。結(jié)型半導(dǎo)體激光器通常用與 p-n結(jié)平面相垂直的一對相互平行的自然解理面構(gòu)成平面腔。在結(jié)型半導(dǎo)體激光器的作用區(qū)內(nèi)，開始時導(dǎo)帶中的電子自發(fā)地躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生相位、方向并不相同的光子。大部分光子一旦產(chǎn)生便穿出 p-n結(jié)區(qū)，但也有一部分光子在 p-n結(jié)區(qū)平面內(nèi)穿行，并行進(jìn)相當(dāng)長的距離，因而它們能激發(fā)產(chǎn)生出許多同樣的光子。這些光子在平行的鏡面間不斷地來回反射，每反射一次便得到進(jìn)一步的放大。這樣重復(fù)和發(fā)展，就使得受激輻射趨于占壓倒的優(yōu)勢，即在垂直于反射面的方向上形成激光輸出。 圖5.3 半導(dǎo)體激光

10、器的能帶圖3、LED/LD的V-I特性LD和LED都是半導(dǎo)體光電子器件，其核心部分都是P-N結(jié)。因此其具有與普通二極管相類似的V-I特性曲線，如圖1.4所示。在正向電壓正小于某一值時，電流極小，不發(fā)光；當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。我們將這一電壓稱為閾值電壓或開門電壓。LD LED 圖5.4 LED/LD的V-I特性曲線 圖5.5 LED/LD的P-I特性曲線4、LED/LD的P-I特性在結(jié)構(gòu)上，由于LED與LD相比沒有光學(xué)諧振腔。因此，LD和LED的照度與電流的P-I關(guān)系特性曲線則有很大的差別，如圖5.5所示。LED的P-I曲線基本上是一條近似的線性直線，只有當(dāng)電流過大時

11、，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。對于半導(dǎo)體激光器來說，當(dāng)正向注入電流較低時，增益小于0，此時半導(dǎo)體激光器只能發(fā)射熒光；隨著電流的增大，注入的非平衡載流子增多，使增益大于0，但尚未克服損耗，在腔內(nèi)無法建立起一定模式的振蕩，這種情況被稱為超輻射；當(dāng)注入電流增大到某一數(shù)值時，增益大于損耗，半導(dǎo)體激光器輸出激光，此時的注入電流值定義為閾值電流Ith 。由圖5.5可以看出，注入電流較低時，LED只發(fā)射微弱的熒光。當(dāng)注入電流達(dá)到并超出閾值電流后，輸出照度陡峭上升。我們把陡峭部分外延，將延長線和電流軸的交點(diǎn)定義為閾值電流Ith ?？梢愿鶕?jù)其P-I曲線可以求出LD的外微分量子效率D 。其

12、具有如下關(guān)系： （5.3）因此在曲線中，曲線的斜率表征的就是外微分量子效率。5、LD的溫度特性由于光電子器件是由半導(dǎo)體材料制成，因此溫度對其光電特性影響也很大。隨著溫度的增加，LD的閾值逐漸增大，光照度逐漸減小，外微分量子效率逐漸減小。閾值與溫度的近似關(guān)系可以表示為： （5.4）式中，Tr室溫，Ith（Tr）為室溫下的閾值電流，T0為特征溫度不同溫度下，LD的P-I曲線如圖5.6所示，根據(jù)此圖可以求出LD的特征溫度。圖5.6 LD的溫度特征曲線附：LD/LED的區(qū)別：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合發(fā)光，LD是受激輻射復(fù)合發(fā)光；結(jié)構(gòu)上的差別；LD有光學(xué)諧振腔，使產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩放

13、大，LED沒有諧振腔。由于這些結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，形成了它們在性能上的如下區(qū)別；LD: (1)輸出線性度差,有閥值電流；(2)光譜窄；(3)溫度特性差；(4)調(diào)制特性好；(5)方向性好、入纖照度大；LED:(1)輸出線性度好,無閥值電流；(2)光譜寬；(3)溫度特性好；(4)調(diào)制特性較差；(5)放向性差、入纖照度??；五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 實(shí)驗(yàn)一、測量LD/LED的I-V-E曲線及照度和光通量（電學(xué)特性）；1、如圖1.7所示連接線路LD/LED，注意不要強(qiáng)行對接。LD/LED電流源V照度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)測量距離A圖1.7 連接框圖2、開機(jī)以前必須檢查電箱的各個連接部件是否連接正確，“限流”開關(guān)是否拔至最小檔、電壓

14、調(diào)節(jié)旋鈕是否處于逆時針調(diào)到最小位置，加熱板的220V接口是否松動。3、開啟LD/LED的驅(qū)動電源，緩慢調(diào)節(jié)電流旋紐逐漸增加工作電流（注：學(xué)生應(yīng)通過預(yù)習(xí)，獲知測量趨勢），通過電流顯示記錄電流值，通過電壓顯示記錄電壓值。每隔一定電流間隔，記錄LED的電壓值和光照度值。記錄數(shù)據(jù)，繪LED的I-P曲線和V-I曲線。4、更換不波長的LED重復(fù)第23步；5、將LD換成LED，開啟電源前，重復(fù)第2布，緩慢調(diào)節(jié)電流旋紐逐漸增加工作電流，通過電流顯示記錄電流，電壓顯示記錄電壓值。每隔一定電流間隔，記錄LD的電壓值和光照度值。繪LD的I-E線和V-I曲線。實(shí)驗(yàn)二、測量LD/LED的發(fā)散角/散射角（光學(xué)特性）； 1

15、、光路搭建應(yīng)注意光源與接收器等高同軸。 2、轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺，記錄功率計(jì)數(shù)值。記錄數(shù)據(jù)。 3、將LED旋轉(zhuǎn)90度，重復(fù)以上步驟。并得到LED在不同角度上的發(fā)散角情況。 并分析LED在空間上發(fā)散特性。 4、更換LD 重復(fù)1-3項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)三、測量LD/LED的光譜單色性（光學(xué)特性）； 1、在實(shí)驗(yàn)一的光路基礎(chǔ)上用光度計(jì)測光譜圖像。 2、更換LD重復(fù)1項(xiàng)內(nèi)容。 實(shí)驗(yàn)四、LD/LED溫度特性1、在實(shí)驗(yàn)一的光路基礎(chǔ)上，安裝溫度控制器件，打開加溫開關(guān)，保持5-10分鐘等溫度達(dá)到一個平衡值時。2、重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的步驟。對比同一個器件的兩組數(shù)據(jù)。分析溫度對器件域值電流、功率的影響。六、注意事項(xiàng)1、LD/LED接線必須駁

16、接正確2、啟動驅(qū)動器前要檢查，限流開關(guān)是否在最小檔，電壓旋鈕是否在最小值處。3、插拔LD/LED之前，務(wù)必先把各個旋鈕調(diào)到最小，然后關(guān)閉電源開關(guān)，再進(jìn)行更換。4、在LD的P-I-V實(shí)驗(yàn)測中，電流值請勿超過40mA，以免燒壞元器件。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、實(shí)驗(yàn)一1、LD/藍(lán)光LED34的P-I-V特性測試(標(biāo)準(zhǔn)100mm測量距離)的數(shù)據(jù)。LEDLD序號I(mA)V(V)E(lx)序號I(mA)V(V)E(lx)10001000200.640200.58030.11.58030.11.25040.22.26040.31.73050.33.23151.71.9060.43.35661.91.92070

17、.53.421372.11.93080.73.482582.31.94091.13.555592.71.960101.63.61103103.11.980112.23.65144113.620122.83.68201124.22.020133.13.7229134.82.040144.13.73318145.52.070154.33.74341156.72.110164.53.74357167.62.130174.93.75394178.42.161185.13.76415189.92.21195.33.764291910.82.221205.73.774692011.52.241216.13

18、.785012112.32.262226.33.7952422132.282236.93.85862314.62.324247.53.816362415.22.3352583.826802515.62.3411268.53.8273126162.35242793.837742716.62.3659289.43.848112817.32.3895299.83.848532918.12.41333012.93.8811323018.72.411663113.43.8811903119.62.442133214.13.8912563220.33.22353314.63.8913033321.46.3

19、22363415.13.913473421.66.862363515.73.914113521.87.392353616.43.9114703621.97.842363716.93.9115213722.38.812373817.43.9215773822.59.782373918.33.9216493922.710.32374018.73.9316904022.810.722374119.43.9317324123.111.372374219.93.9417674223.412.43237由LED的電壓-電流特性曲線圖中可以看出，其閾值電壓約為3.8V左右，當(dāng)LED的電壓大于閾值電壓時，電流

20、將急劇增加。 由LED的照度-電流特性曲線圖中可以看出，電流小于5mA時，LED的輸出照度幾乎為0；而后輸出照度與工作電流近似為線性關(guān)系。由LD的電壓-電流特性曲線圖中可以看出，其閾值電壓約為2.1V左右，當(dāng)LD的電壓大于閾值電壓時，電流將急劇增加。由LD的照度-電流特性曲線圖中可以看出，電流小于15mA時，LD的輸出照度幾乎為0；而后輸出照度與工作電流近似為線性關(guān)系。比較以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：LED和LD的伏安特性非常類似，這是因?yàn)樗鼈兌际前雽?dǎo)體形成的PN結(jié)器件。2、實(shí)驗(yàn)二LD/藍(lán)光LED34的散射角（光學(xué)特性）LEDLD序號角度E(lx)序號角度E(lx)10°61710

21、6;92210°564210°52320°427320°1430°275430°0540°157540°0650°63650°0760°15760°0870°3870°0980°1980°01090°01090°011100°011100°012110°012110°013120°013120°03、實(shí)驗(yàn)三1、測量藍(lán)光LED的光譜單色性（光學(xué)特性）2、測量L

22、D的光譜單色性（光學(xué)特性）4、實(shí)驗(yàn)四測量LD/藍(lán)光LED隨溫度（T）的變化對其波長漂移的影響（熱學(xué)特性）LEDLD序號I(mA)V(V)E(lx)序號I(mA)V(V)E(lx)100.010100020.11.17022.71.95030.22.18033.21.98040.43.28343.72051.33.556754.42.02061.93.6212365.32.06072.43.6516676.52.1082.83.6720587.72.13093.13.6823098.42.151103.33.69251109.32.181113.73.71281119.92.1911243.71

23、3071211.22.221134.23.723261311.92.242144.33.7334014132.272154.53.733661514.12.33164.83.743791614.82.3241753.7439817162.3419185.23.754151816.12.3524195.53.764491916.92.3664205.73.764682017.32.37852163.774922117.82.38112226.23.775152218.22.39133236.53.785392318.72.4145246.83.785702419.22.41178257.23.796122519.82.46211267.73.86562620.33.22224278.23.816952720.43.85222288.73.817412821.25.28229299.23.827972921.35.89230309.