LED和LD的光源特性测试实验

LD/LED光源特性测试实验

1. 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P-I特性随器件温度的变化，理解LED发光二极管和LD半导体激光器在工作原理及工作特性上的差异。 2. 实验原理 2.1 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

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2.2 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。

N  qi  r （1.1）

G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

NT  qe  （1.2）

G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

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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

2.3 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4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。

LED LD 图4 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

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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4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：

P(IfIth)VD （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。 2.4 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：

Ith(T)Ith(Tr)exp[(TTr)/T0] （1.4）

式中，Tr室温，Ith（Tr）为室温下的阈值电流，T0为特征温度不同温度下，LD的P-I曲线如图5所示，根据此图可以求出LD的特征温度。

图5 LD的温度特征曲线

3. 实验仪器

LD/LED光源特性实验仪 LD3115型半导体激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） LED3215型发光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 手持光功率计

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4. 实验内容及步骤 实验装置如下：

LD/LED电箱LED3215发光二极管 手持光功率计 温控仪 LD3115激光器 步骤1：因LD3115型半导体激光器为Pointer型，将半导体激光器管壳正接到电流源2芯插座“+”孔上，开启电流源，缓慢调节电流旋纽，使工作电流由0mA逐渐增加到21mA，每隔3mA记录LD的光功率值，并测试记录LD两端的电压值，绘制P-I曲线。切记电流最大不能超过30mA，否会损坏激光器！！注意：LD为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。

表1 LD的P-I实验测试数据

I(mA) P(μW) 5

步骤2通过P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流。

步骤3：开启温控器电源开关，设定提高温度值10℃，升高LD的工作温度，重复实验步骤1，记录LD的P-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。 注意：当温度超过40℃ 时，应尽可能缩短测试时间，LD长期在高温环境中工作会缩

短使用寿命

步骤4：开启LED的驱动电源，将LED管壳正接到电流源2芯插座“+”孔上，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，使电流由0mA逐渐增加到30mA，记录LED光功率值。绘制LED的P-I曲线。

表2 LED的P-I实验测试数据

I(mA) P(μW) 步骤5：开启温控器电源开关，设定提高温度值10℃，升高LED的工作温度，重复实验步骤4，记录LED的P-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。 注意：插拔激光器之前，务必先把“电流”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是因

为带电插拔LD会造成LD的劣化。

思考题：

1. 分析实验数据，叙述LED和LD的P-I特性曲线的特点。 2. 温度的改变为什么影响半导体激光器的P-I特性？

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