發(fā)光二極管參數(shù)的測量(精)

1、發(fā)光二極管參數(shù)的測量一 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和根本原理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，有源層的半導體材料必須是直接帶隙材料，越過帶隙的電子和空穴能夠直接復合發(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的根本工作原理 LED 是一種直接注入電流的發(fā)光器件，是半導體晶體內(nèi)部受激電子從高能級回復到低能級時，發(fā)射出光子的結(jié)果，這就是通常所說的自發(fā)發(fā)射躍遷。當LED的PN結(jié)加上正向偏壓，注入的少數(shù)載流子

2、和多數(shù)載流子電子和空穴復合而發(fā)光。值得注意的是，對于大量處于高能級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，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播，這個過程稱為自發(fā)發(fā)射。其發(fā)射波長可用下式來表示：(m)1.2396/Eg(eV)二 發(fā)光二極管的特性及測試方法1 LED的光譜特性及測試方法由于LED沒有光學諧振腔選擇波長，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)光強度最大時所對應的波長稱為發(fā)光峰值波長，光譜曲線上兩個半光強點所對應的波長差稱為譜線寬度簡稱線寬，其典型值在3040

3、nm之間。峰值波長和譜線寬度的測試方法如圖3所示，當被測器件的正向工作電流到達規(guī)定值時，旋轉(zhuǎn)單色儀波鼓，使指示器到達最大值，讀出波長峰值，此即為該器件的發(fā)光峰值波長。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，讀出兩個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相對功率圖2 LED的光譜曲線波長2560單色儀恒流源LED探測器指示器圖3 LED的峰值波長和線寬測試方框圖由圖2可以看出，當器件溫度升高時，光譜曲線隨之向右移動，從峰值波長的變化可以求出LED的波長溫度系數(shù)。2 LED的伏安特性及測試方式恒流源VmA圖5 LED的正向壓降測試原理IV圖4 LED的伏

4、安特性曲線LED通常都具有圖4所示的較好的伏安特性。當LED管芯通過正向電流為規(guī)定的值時，正、負極之間產(chǎn)生的電壓降，即為正向亞降以VF表示，單位為V，由于正向電阻比擬小，故VF一般都較低，圖5示出了VF的測試原理圖3 LED的電光轉(zhuǎn)換特性及測試方法電光轉(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，因為是自發(fā)輻射光，所以PI曲線的線性范圍比擬大如圖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是測試原理圖。測試時，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

5、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。測試時把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，指示器上的讀數(shù)即為被測LED的脈沖輸出光功率值，圖8是測試原理圖，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直流輸出功率測試原理圖矩

6、形脈沖器示波器接收器指示器圖8 脈沖輸出光功率的測試原理圖 4 LED的輻射強度空間分別和半角值1/21/2輻射強度空間分布是指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。測試時把LED置于預定的位置上，調(diào)節(jié)恒流源，使工作電流為規(guī)定值，從0到90度轉(zhuǎn)動發(fā)光器件，讀取不同角度下指示器上的輻射強度值，然后在極坐標或直角坐標上分別作出相應點的角度與輻射強度關(guān)系圖，即為輻射強度空間分布圖。在分布圖上讀取半強度值點的角度1和2，那么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出示了半角值的測量原理，圖中：L為LED

7、發(fā)光面于接收面的距離，O1O2為主光軸。調(diào)節(jié)時，LED的出光面和接收器的光敏面應垂直于主光軸，L于接收光敏面直徑之比至少應為10：1。O1O2恒流源接收器指示器暗盒圖9 LED的半角測試原理圖光欄5 LED的調(diào)制特性當在規(guī)定的直流正向工作電流下，對LED進行數(shù)字脈沖或模擬信號電流調(diào)制，便可實現(xiàn)對輸出光功率的調(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)中的應用，但是，通過合理

8、的設(shè)計和優(yōu)化的驅(qū)動電路，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(-3dB的頻率就是LED的調(diào)制帶寬，圖11示出了調(diào)制帶寬的測試原理圖。圖中L為頻扼線圈，C為隔直流電容，RC為負載匹配電阻。測量的方式是調(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)信號源輸出，把輸出的正弦調(diào)制光對準探測器的光敏面，改變信號源的頻率，并保證調(diào)制度不變，當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，信號源的頻率即為光的帶寬。測量要求是：選擇Rc使LED回路與信號源輸出阻抗匹配光電探測器包括輸出回路的頻率響應比被測LED至少高5倍；指示器應能對光功率或電功率的交流成分相對值進行直接指示。光輸出電流電流電流時間LED輸出波形時間圖10a LED數(shù)字調(diào)制驅(qū)動電流LED輸出波形電流電流電流驅(qū)動電流時間光輸出圖10a LED模擬調(diào)制三 實驗內(nèi)容和步驟 1 測量LED的峰值波長和線寬