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1、材料学院实验指导用书2012年8月30日 实验一、LD/LED光源特性实验实验目的1、通过测量LD半导体激光器域值电流、LED发光二极管和 LD半导体激光器的输出功率电流（P-I）特性曲线和电压电流（ V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith） 。从而对LED发光二极管和LD 半导体激光器工作特性有个基本了解。2、了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）的影响。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
2、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
3、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-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，
4、所以光仅在靠近 PN 结面数m 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，N r 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GNrqi
5、GNTqe效率 （1.2）式中，N T 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 0 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 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g 有关，即 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 3.261.63eV 之间。图3、 LED光谱图LED/LD的 V-I特性LD 和 LED 都是半导体光电子器件，其核心部分都是 P-N 结。因此其具有与普通二极管相类似的 V-I 特性曲线，如图
6、1.4 所示。 在正向电压正小于某一值时，电流极小，不发光；当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。我们将这一电压称为阈值电压或开门电压。图 4 LED/LD 的 V-I 特性曲线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 关系特性曲线则有很大的差别，如图 5 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 5 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
7、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 5 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LDLED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 D 。其具有如下关系：DthfVIP)( （1.3） 因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量
8、子效率。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： /)exp()( 0TTIrrthth（1.4） 式中，T r 室温，I th（T r）为室温下的阈值电流，T 0 为特征温度不同温度下，LD 的 P-I 曲线如图 6 所示，根据此图可以求出 LD 的特征温度。图6 LD的温度特征曲线实验装置简介1 LD3115型激光器我们所用 LD3115 型半导体激光器是具有多量子阱 F-P 腔激光器 LD，内置背景光探测器 PD，这种激光器使用时具有下图所
9、示四种型式：图 7 LD 激光器的四种形式图中，LD 为激光器，PD 为背景光探测器。PD-N side dwon 的管是探测器PD 的负（N）与激光器 LD 的负（N）或正（P）相连， PD-P side dwon 的管是探测器 PD 的正负（P ）与激光器 LD 的负（N）或正（P）相连，与激光器 LD的负（N） ）相连的称为 DVD 型管，与激光器 LD 的正（P）相连的称为 POINT型管。所用 LD3115 型激光器为 PD-N side dwon 的 POINT 型管，单模光纤同轴封装，带尾纤 FC 连接。性能指标如下表所示参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位额定功率
10、 Pout Iop=Ith+20 0.2 1 mW中心波长 CW 1290 1310 1330 nm光谱宽度 CW 2 5 nm阈值电流 Ith CW 5 8 mA工作电流 Iop CW Ith+10 mA探测器电流 Im CW 100 A探测器暗电流 Id CW 0.1 nA表中 CW 表示连续。管脚图如下41432图 8LD 引脚说明：1激光器正和管壳；2激光器负；3探测器负；4探测器正。2 LED3215 型 LED发光二极管LED3215 型 LED 发光二极管的性能指标如下表所示： 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位额定功率 Pout IF =60mA 10 W中心波
11、长 CW 1280 1310 1350 nm光谱宽度 CW 170 nm工作电压 Vop CW 1.2 1.7 V上升下降时间 Tr/Tf CW 3 nsLED 管脚说明如下：图 9LED 引脚说明：3 LD/ LED光源特性实验仪本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm 、1310nm 、1550nm 等各种中小功率 LD 的电流测1 . 接地 2 . LED负极3 . LED正极 4 空试及老化测试。 实验操作步骤：1、通电之前，确保“电流”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。2、确认：（1）LD 管壳正和插座的“
12、+”孔连接。（2）LD 管激光管负和插座的“-”孔连接。（3）LED 管正和插座的“+ ”孔连接。（4）LED 管 负和插座的 “-”孔连接。插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD 或 LED 尚未发光。实验内容及步骤实验装置如下LD/LED 电箱xiang手持光功率计 LD3115 激光器LED3215 发光二极管温控仪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
13、-I 曲线及 V-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-V 实验测试数据I(mA) 0 3 6 9 12 15 18 21U(V)P(W)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。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 6.1，记录 LD 的 P-I 曲线和 V-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
14、缩短测试时间，LD 长期在高温环境中工作会缩短使用寿命4、开启 LED 的驱动电源， 将 LED 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，每隔 5mA记录 LED 光功率值， 并记录 LED 两端的电压值。 绘制 LED 的 P-I 曲线及 V-I曲线。表 2 LED 的 P-I-V 实验测试数据I(mA) 0 5 10 15 20 25 30U(V)P(W)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 6.4，记录 LED 的 P-I 曲线和 V-I 曲线。比较在不同温度下，LD的特
15、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。实验二、硅光电池实验一、实验目的了解硅光电池的光照特性和光谱特性，熟悉其应用。二、实验内容1、 硅光电池的光照特性实验；2、 硅光电池的光谱特性实验。三、实验器件简介硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的 PN 结。它不需要外加电源，而直接把电能转换为光能。它有一系列优点，性能稳定，光谱范围宽，频率响应好。转换效率高。 四、实验原理当光照射到光电池 P-N 结上时，便在 P-N 结两端产生电动势。这种现象叫“光生伏特效应”，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。五、实验内容1 、光照特性测量硅光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。以下为电路连接图：图 4-1 硅光电池光照特性测量原理图打开主机箱电源，将照度计探头用遮光筒与光源连接起来，调节接入光源的输出调节旋钮,使照度计显示 500Lx。拿去照度计探头，把硅光电池连到遮光筒上，将主机箱的电压表接到光电实验器件模板的硅光电池的电压表接口上，测出 500Lx 照度下的开路电压。把电压表的引线断开后，将主机箱的电流表串接到实验模板上、硅光电池的电流表接口上，测出
