（测试计量技术及仪器专业论文）半导体发光器件特性综合测试实验系统的研究.pdf

yt 3 2 9 6 7 堑坚垄兰堡兰堡壅 ，嘲5 ， 睁- - ， 塑兰一 摘要 发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 是两种典型的半导体电流注入发光器 件，是光电子学的重要基础器件；光电探测器是光学系统中不可或缺的关键器件。 我们小组利用发光器件和光电探测器的内在关联，将l e d 、l d 和光电探测器的基 本特性参数测试综合到一个平台，开发出了一台面向高校光电相关专业本专科学生 的教学仪器。本文主要研究其巾的l e d l d 的电光特性参数的测试部分。 对l e d l d 的特性测试围绕电学特性、电光转换特性、能量空间分布特性以及 光谱特性四个方面展开。在前期实验台机械设计的基础上，我们用稳压芯片l m 3 1 7 t 设计了对l e d l d 兼容的恒流驱动源，结合智能数显表实现对l e d l d 的电流调节 和监控，实现电学特性的测量；利用恒流驱动源和三波长光功率计实现对电光转换 特性的测量；设计了转台、导轨和二维支架系统，直观、简洁，方便调节，实现了 对能量空问分布的测试：利用单色仪、光导或光伏探测器实现对可见、近红外光 l e d l d 光谱特性的测量，通过步进电机的控制，单色仪可以自动扫描，光电探测 器出来的光信号经放大、a d 、采集，通过软件实时得到光谱特性曲线。最后我们 对不同型号的l e d 、l d 从这四方面特性进行了测量，得到了比较好的实验数据。 实验仪另外具备对各种探测器的基本特性测试的功能，其综合、多功能的特征 是作为教学仪器的一大亮点。 关键词：发光二极管( l e d ) ，激光二极管( l d ) ，测试，电学特性( v - d ，电光 转换特性( p - - 1 ) ，能量空间分布，光谱特性，综合 浙江大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) a n d l a s e r d i o d e ( l d ) ，w h i c h a l et w o t y p i c a l s e m i c o n d u c t o rj u n c t i o nl u m i n e s c e n t d e v i c e s ，a r e c o m m o np h o t o e l e c t r i cd e v i c e s t o g e t h e r w i t h p h o t o d e t e c t o r s ，o u rg r o u ph a sd e v e l o p e da ni n t e g r a t e ds u r v e y i n g s y s t e mw h i c h c o m b i n e st h em e a s u r e m e n t so f t h ep h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s e d e v i c e s t h es y s t e mc a l lb eu s e di nt h et e a c h i n gf o rt h eu n d e r g r a d u a t e s m yw o r k c o n c e n t r a t e do nt h em e a s u r e m e n t so f l e da n dl d t h em e a s u r e m e n t so fl e d l dc o n s i s to ff o u r p a r t s ：t h e c h a r a c t e r i s t i c so f v o l t a g e c u r r e n ti n t e n s i t y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a lp o w e r - c u r r e n ti n t e n s i t y , t h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f t h ee n e r g ya n dt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ar e g u l a t e dp o w e r s u p p l yi sm a d et os u p p l yl e d a n dl dw i t hc h a n g e a b l er e g u l a t e dc u r r e n t d i g i t a l r e a d o u t sa r eu s e dt od i s p l a yt h ev o l t a g ea n dc u r r e n t a p o w e r m e t e ri su s e dt om e a s u r e t h er a d i a t i o np o w e ro f6 3 2 8 n m ，1 3 1 0 n ma n d1 5 5 0 n mw a v e m e a s u r i n go fs p a t i a l d i s t r i b u t i o no ft h ee n e r g yi sr e a l i z e db yt h eu s eo fat u r n t a b l e ，ag u i d ea n dab r a c e a d j u s t a b l ei nt w o d i r e c t i o n s m e a s u r i n go fs p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sg o e sa sf o l l o w s ：o u t p u ts i g n a l so ft h e d e t e c t o ra r ea m p l i f i e db yav o l t a g ea m p l i f i e ra n da r et r a n s f e r r e dt od i g i t a ls i g n a l s t h e d a t ac o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g ht h er s - 2 3 2s e r i a lp o r t ，a n di sf i n a l l y d i s p l a y e d i nt h ef o r mo f p o w e r - w a v e l e n g t hc u r v e sa f t e rt h ec o m p u t e r p r o c e s s i n g g l o b a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n ge a c hp a r t sd e s i g nc o n c e p t a n dr e a l i z a t i o n ，i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ro n t h eb a s i so f m e a s u r e m e n t s p r i n c i p l e s i ti s e n d e db yag r o u po fr e s u l t s a n dt o g e t h e rw i t ht h e p r e d i c t i o n f o ro u rf u t u r e i n s t r u m e n t s k e y w o r d s ：l e d ，l d ，弘i ，p i ，s p a t i a l d i s t r i b u t i o n ，s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s ， p h o t o e l e c t r i c i t yd e t e c t o r , i n t e g r a t e d m e a s u r e m e n t s y s t e m 浙江大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 发光二极管( i ，i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 、半导体激光器( 又称激光二极管， l a s e rd i o d e ，简称l d ) 和光电探测器( 包括光敏电阻，硅光电池，光电二、。三极管， 雪崩二极管，光电倍增管等) 是光电子学的重要基础器件，深入了解这些器件的原理 和特性，可以为人们进入光电子行业打下坚实基础。我们小组要做的工作是有效利用 这些器件的关联，把它们综合到一个实验平台，对各自的基本特性参数进行测量，使 高校的光电相关专业本专科学生对光电子器件有全面、深刻的认识。我主要负责其中 的l e d l d 特性参数的测试。 l e d l d 都是半导体电流注入发光器件，在其诞生至今的四十多年时问里发展迅 速，优异的性能使它们倍受瞩目。除l e d 、l d 之外，超辐射发光二极管( s l d ) 也 是一种半导体发光器件，其特性介于l d 和l e d 之间【“。s l d 的出现受到光纤陀螺的 推动，其应用范围较小，所以我的课题没有把它包含在内。绪论部分将简要介绍 l e d l d 的发展和应用：l e d l d 的测试：本课题的研究内容。 1 1l e d l d 的发展和应用 l e d l d 都是利用电流注入发光的半导体器件，自从2 0 世纪6 0 年代问世以来， 发展迅速，性能不断提高，已经成为光电子行业的重要支柱。l e d 主要作为装饰和照 明光源，也可以用作通信光源，其应用侧重于人们的日常生活；l d 已经成为激光器 的中坚力量，广泛应用于军事、科研，是激光测量、光通信、光存储、光计算机等高 新技术的关键器件。 1 1 1l e d 的产生、发展和应用 早在1 9 0 7 年，郎德( r o u n dh j ) 第一个报道了电致发光的机理。然后，直到1 9 6 2 年，科学家们发现砷化镓( g a a s ) 二极管能作为有效光源后，l e d 的研究受到重视o l e d 是在半导体的研究基础上产生的，其核心部分为半导体p - n 结，当电流从l e d 阳极流向阴极时，半导体晶体就依不同的p - n 结元素发出不同波长的光。第一个商用 l e d p - n 结采用的元素为镓、砷、磷，即g a a s p ，激发产生的光线为6 5 5 n m 的红光。 2 0 世纪7 0 年代，科学家改变了p - n 结的组成元素后，l e d 的发光颜色产生了戏剧性 浙江大学硕士论文第一章绪论 的变化，同时发光效率也随之提升。这些元素有铟( i n ) 与氮( n ) 等i i i a 与v a 族 的元素，使得l e d 产生绿光( 5 5 5 n m ) 、黄光( 5 9 0 r i m ) 和橙光( 6 1 0 z m a ) ，8 0 年代末、 9 0 年代初，铝镓铟磷( a 1 0 a l n p ) 的蓝光l e d 诞生。1 9 9 3 年，日本f f 亚( n i c k i a ) 化 学公司巧妙的运用蓝色晶片并引入氮化镓( o a n ) 于晶片激发处，且拌入光致敏感的 泛橙黄光y a g 钇铝石榴石荧光粉，发展出白光l e d 。 l e d 诞生以后，发光效率、亮度和寿命不断提高，到2 0 0 3 年，红、橙l e d 发 光效率已达8 01 i i l ，w ，白光商品l e d 已达到总光通量1 0 0 0l m ，功率3 0 w ( 3 31 砌啊) ， 实验室水平达7 4l m w ，预计到2 0 1 0 年，效率可达1 2 0l m w ，到2 0 2 0 年，达2 0 0 1 r a w 。 目前彩色l e d 的寿命可达5 - - 1 0 万小时，低功率白光l e d 的寿命超过2 万小时，高 功率白光l e d 的寿命都在万小时以上 2 1 。 作为照明光源是l e d 的主要应用，与之前的光源比较，l e d 的效率和寿命优势非 常明显。此外，l e d s 乜色纯、光束集中、亮度辉度高、体积小、无污染、响应快、安 全可靠。可以说，l e d 的产生掀起了照明光源领域的一场革命，世界各国都倍加重视。 2 0 0 3 年6 月1 7 日，由中国科技部、国家发展和改革委员会与信息产业部等共同组织实 施的“国家半导体照明工程”正式启动，国家投入巨额资金对l e d 产业进行引导j 3 1 。 除用作照明光源，随着l e d 的亮度、光色、显色性等性能的提高和完善以及价格 进一步降低，其应用领域越来越广。除用于各种指示器、遥控器、标识灯，还有大屏 幕显示屏、交通信号灯、背光源、汽车用灯、特种照明、城市夜景等。在短距离光通 信中l e d 也可以替代l d ，占据一席之地。 随着材料科学的发展，o l e d ( 有机发光二极管) 、p l e d ( 聚合物发光二极管) ， p p v - - l e d ( 硅基衍生物发光二极管) 等发光材料和器件也正在研发中，新的发光材 料包括低维量子阱、超晶格、纳米材料、量子剪裁材料及各种形式、成分的材料，为 l e d 的发展提供了新的发展空_ t n q e 孙。 1 1 2l d 的产生、发展和应用 1 9 5 3 年9 月，美国的冯纽曼o o h nv o nn e u m a n n ) 论述了通过向p - n 结注入少数 载流子来实现受激发射的可能性。1 9 5 8 年，苏联的巴索夫( t 3 a s o v ) 提出在半导体中实 现负温态( 即粒予数反转) 的理论论述。1 9 5 9 年，腊克斯( l a x ) 提出直接带隙半导体比间 接带隙半导体更适合于产生受激发射。1 9 6 0 年，贝尔实验室的布莱( b o y l e ) 和汤姆逊提 浙江大学硕士论文第一章绪论 出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，受激光发射得到加强。1 9 6 1 年， 伯纳德( b e r n a r d ) 与杜拉福格( d u r a f f o u r g ) 幂u 用准费米能级的概念推导出在半导体有源 介质中实现粒子数反转的条件。1 9 6 0 年，红宝石激光器产生。1 9 6 2 年，第一台g a a s 同质结半导体激光器在美国诞生1 4 。 半导体激光器一经诞生，就以其优异的性能吸引了人们的注意，发展非常迅速。 在经历了降低闽值电流、横模控制、纵模控制和波长控制阶段之后，现在正向高速化、 大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长和可见光两个波段延伸。 半导体激光器的主要特点： ( 1 ) 超小型、重量轻； ( 2 ) 效率高，微分量子效率) 5 0 ，能量转换效率) 3 0 ； ( 3 ) 发射波长范围宽，通常谱宽在0 5 3 0 u m 之间； 。 ( 4 ) 使用寿命长，可达百万小时以上； ( 5 ) 普通半导体激光器发射功率在1 一1 0 0 m w ，目前大功率激光器发展迅速，脉冲 输出功率可达千瓦以上。 半导体激光器目前已是光通信领域中发展最快和最为重要的光纤通信的光源，并 在激光电视唱片、激光高速印刷、全息照相、文字记录、数码显示、办公自动化、激 光测量、激光防盗、激光医学和激光生物学等诸多领域得到应用，半导体激光器还是 光信息处理、光存储和光学计算机等高科技领域的重要角色”。 1 2l e d l d 参数测试及其存在的问题 测试是一个行业的基础。l e d l d 同为半导体电流注入发光器件，它们的特性参数 有诸多共性，详细考察需从电学、光学、颜色三个方面着手。电学特性参数包括正反 向电压、电流、总电容等，反映p - n 结的性能：光学特性参数包括发光强度、发光效 率、半值角、光谱特性等；颜色特性参数包括色温、色品坐标、主波长等。它们的发 光原理有不同之处，主要在于l e d 是自发发射，l d 发射激光，所以特性参数有很大 差异。为提高发光性能，l e d l d 通常会以组件的形式出现，所以组件的重要参数也 必须经过测试。 浙江火学硕士论文 第一章绪论 1 2 1l e d 参数测试及存在的问题 除上面提到的单管的电、光、颜色特性，l e d 以组件形式出现还有其他参数。通常 l e d 组件d 3 l e d 芯片、l e d 驱动电路组成，高性能组件还配置温控系统。因此组件的性 能指标还包括驱动特性、热电致冷特性等。 。 有人说l e d 光学参数的测试与其它一些科学实验相比更具“艺术性”，意思是由 于l e d 测试具有很大的不确定性，它的测试效果的再现性比较差，不同测试装置之 间的测试结果一致性差。l e d 光源与传统光源之间在物理尺寸，光通量，光谱，光 强的空间分布等方面存在着很大的差异，它的测量方法有一定的特殊性。有专家建议， l e d 参数测试时应采用l e d 机械中心；保证恒流驱动和工作环境的稳定；装置需定期 维护和校准，再现性要好。 要提高l e d 测量精度，需要有一些标准测量方法和标准l e d 加以规范。为此， 国际照明委员会c i e 也专门成立专业委员会对此予以关注，制定并推荐y c m1 2 7 1 9 9 7 “m e a s u r e m e n t o f l e d s ”，希冀对l e d 的辐射度，光度和色度的测量进行统f 6 1 。 1 2 2l d 参数测试及其存在的问题 l d 组件包括l d 芯片、光隔离器、监视光电二极管、尾纤和连接器、驱动电路、 热敏电阻、热电制冷器、自动温控电路、自动功率控制电路等。l d 组件的重要参数 有监视光电二极管的电压、电流，致冷器电流、电压，热敏电阻的阻值，元件准直性 如耦合效率、跟踪比等。 l d 是光通信的熏要基础器件，用于光通信的l d ( 组件) 我们还要熏点考察它的 调制、输出特性，如相对强度噪声、比特误码率、失真、啁啾、耦合效率等【1 1 。 对于工业用l d 测试仪器，要求高速高精度。对于简单l d 组件的特性测试，一般 两个或三个通道的激励源测试功能就可以了，而近年来光通信中出现的新型l d 组件， 如可调谐激光二极管和多波长泵浦激光组件，要求测试系统能够提供更大的激励源和 更多的测试通道。 l d 的参数测试同样有l e d 测试的规范问题。虽然我们国家对l d 以及i 。d 组件 的参数测量方法给出了国家标准，但是实际测量缺乏有效的参照，重复性和可比性不 ， 够。目前国内的l e d l d 测试仪器尚不成熟，与国际上的知名公司如k e i t h l e y ( 吉时 浙江大学硕士论文第一章绪论 利) 的产品相比，精度、自动化功能等有很大差距。 1 3 本课题的研究内容 前面己提及，我们的工作是在一个测试平台上实现l e d l d 和光电探测器的基本 特性参数的测试，测试仪定位为本科生教学仪器。我的工作重点在l e d l d 的测试。 l e d l d 有电、光、颜色等方面参数，难以全面覆盖。这里我们不测量颜色特性，而 重点测量电学和光谱特性。仪器以综合性为主要特征，精度要求不是很高。对l e d l d 兼容是仪器的一大特点。 实验仪对l e d l d 特性参数的测试分三大部分： 1 严卜嗽4 试； 2 ，辐射强度空间分布测试； 3 光谱特性测试。 可以完成的实验有： 1 l e d 伏安特性( 矿一，) 测试； 2 l e d 电光转换特性( p 一，) 测试； 3 l e d 辐射强度空间分布及半值角测试： 4 l e d 发射光谱特性测试； 7 5 ，l d 电压电流特性( y j ) 测试： 6 l d 发光功率与注入电流( p j ) 特性测试； 7 l d 阂值电流、调制电流测试； 8 l d 外微分量子效率测试； 9 l d 束发散角测试； 1 0 l d 发射光谱特性测试 通过上述实验，学生们能够在实践中对半导体电流注入发光器件的电、光特性有 定性和定量的认识，为以后的深入学习打下坚实基础。论文第二章介绍l e d l d 电流 注入发光的理论；第三章论述各参数的测试方法和理论基础，对探测器和光谱仪器的 理论也予以简略介绍；第四章为测试仪各部分的设计和参数测试的具体实现；第五章 为测试结果及其分析；最后为总结和展望。 浙江大学硕士论文第二章l e d l d 理论基础 第二章l e d l d 理论基础 在测量半导体发光器件l e d l d 的电、光特性参数之前，必须了解什么是 l e d l d ，它们为什么有这些特性参数。本章将介绍l e d l d 的电流注入发光理论， 重点讲述l d 发射激光的原理，然后结合原理提出它们的主要特性参数。在介绍理 论之前，对l e d l d 的结构、外形等作简单说明，从而对它们有一个直观的认识。 此外，还有一种半导体发光器件：超辐射发光二极管( s l d ) ，在本章末尾简略提及。 l e d l d 基本参数的测试理论将在第三章讲述。 2 1 发光二极管( l e d ) 2 1 1l e d 的结构 l e d 通常由、 三导体p - n 结芯片、电极、玻璃窗、环氧树脂透镜、绝缘体等构成， p - n 结芯片是它的核心。按照发光的颜色，l e d 可分为红光、橙光、蓝光、绿光、 白光、红外光以及双色、多色l e d 等。这些各种颜色的l e d 其封装方式多样，图 2 - 1 给出了l e d 的常见封装形式( 7 】a 图2 - 1 常见的l e d 的封装形式 图2 2 是l e d 的两种常见结构。图2 2 ( a ) 中，环氧树脂封装体和引线占据了 l e d 体积的大部分。着色环氧树脂模制透镜用以设定出射光的方向、光束的空间分 布或作为光学滤光片增强颜色的对比度。( b ) 图用一种反射杯来反射芯片发出的 光，以提高发光效率。l e d 可能以各种封装形式呈现，但一般说来它们总是包括相 关部件如上述的透镜、反射杯等扩散体、发光颜色不同的材料等，以控制出射光的 空间分布和光谱分布。不同的封装中，芯片的大小、类型、位置都可能不同，并由 此而具有不同的机械强度。 6 浙江大学硕士论文 第二章l e d , r l d 理论基础 图2 - 2 两种不同结构的l e d 图2 - 3 为a l o a a s o a a sl e d 和i n g a a s p i n pl e d 的结构截面图。要使l e d 发 光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电于和空穴能够直按复 合而发射光子。为使器件有好的光和载流子的限制，大多采用双异质结( d h ) 结构。 剩书一 图2 - 3 边发射l e d 结构截面图 发光二极管一般采用外延法制备，在g a a s 或g a p i 拘衬底上，用外延法生长n 型 和p 型层，或在n 型层中进行锌扩散生成p n 结。 2 1 2l e d 发光理论 l e d 是种电流直接注入的光发射器件。半导体晶体内部受激电子从高能级回 复到低能级时，发射光子，这就是通常所说的自发发射，是非相干光。l e d 的光发 射是基于注入半导体的电子和空穴的复合产生的光辐射，但其载流子的复合过程有 其特别之处【5 1 。 载流子的复合机构有：直接复合导带中的电子直接跃入价带与空穴复合； 间接复合载流子通过晶体中的杂质或缺陷所形成的复合中心复合。按照电子跃 迁方式，又可分为带间复合、激子复合、杂质中心复合、电子陷阱复合等。 ( 1 ) 带间复合 浙江夫学硕上论文 第二章l e d ，l d 理论基础 先简单介绍半导体材料的能带结构。 由原子构成晶体时，电子在整个晶体内作共有化运动，导致原子能级分裂成能带。 不允许存在能量状态的区域称为带隙，带隙宽度用& 表示，上方高能量区为导带， 下方低能量区为价带 7 1 。( 图2 4 ) 在低温下，晶体中的电子都被原子紧紧束缚着，不能参与导电。当价带中的电子 受到热或光的激发，获得足够的能量，即可跃迁到上面的导带。带隙宽度琏取决于 导带底的能量和价带顶的能量，且有 e f & 一& o( 2 - 7 ) 由热力学统计理论，在热平衡状态下，大量原予组成的物质系统，其原子集居 数密度按能级的分布服从玻尔兹曼分布率，即对于原子的两个能级历，目，有 n jn l = g i e x p - - ( e 2 - - e 1 ) k t ( 2 8 ) k 为玻尔兹曼常数，t 为物质体系的绝对温度。由于e z e t ，t 0 ，在热平衡状态 下，n 2 一9 2 g t t l ( o ，即介质对入射光总是衰减。为实现光放大，必须向物质提供能 量，使光放大条件得以满足。通常把n o 称为原子集居数密度的反转分布。使介 质内实现这种反转分布称为激励过程或泵清抽运过程。 - 激光器 激光器由三个基本部分构成：激光工作物质，光学谐振腔和激励能源。 工作物质是构成激光器的核心，是光自发辐射和受激辐射光放大的物质基础。激 光二极管( l d ) 的工作物质是半导体，具体说是其中的电子和空穴。 激励能源使处于低能级的原子被有效激发到高能级，形成足够大的原子集居数密 ： 度的反转分布。激励源有光、电、化学反应、热等。l d 中为电激励。 光学谐振腔提供维持光子振荡所必须的光学正反馈，并限制、约束振荡光子的频 率、运动方向、偏振状态和场的空间分布方式。光学谐振腔的构型多种多样，最简 单和基本的为法布里一珀罗型( 简称为f p 型) 开放式光学谐振腔。谐振腔的输出 端反射镜通常有一定的投射率( 或输出耦合率) 以便激光束输出。 综上，激光形成过程为： 在激光放大器中通过光学谐振腔引入正反馈，形成光子振荡。光的受激辐射放大 的初始外激励光子来源于激光工作物质中激光跃迁上、下能级问的微弱自发辐射。 1 6 浙江大学硕士论文第二章l e d i 。d 理睑基础 光的稳态自激振荡的形成过程如下： 泵浦激励使工作原子的特定激光上下能级间实现原子集居数密度反转分布，上下 能级间自发辐射跃迁提供自激振荡的初始激励光予，激活介质受激辐射实现光放大。 谐振腔中往返反射的光束必然有能量损耗，只有往返增益大于或等于损耗的光波模 才能获得振荡，二者相等表示激光器振荡的阈值条件，此时激光器才能获得稳态的 自激振荡并发出激光，阈值条件对应的注入电流为l d 的阈值电流乩，是l d 的重 要特陛参数。如果只有少数甚至极限情况下只有一个光波模满足振荡条件，激光器 就实现了单模振荡，成为理想的强相干光源。 l d 的工作原理 7 1 。 l d 产生激光的原理，与气体和固体激光器基本相同，半导体材料中也有受激吸 收、受激辐射和自发辐射过程。在电流或光激励下，半导体价带上的电子获得能量， 跃迁到导带上，在价带中形成空穴，这对应着受激吸收过程。导带中的电子跃迁到 价带上，与价带中的空穴复合，同时以光子形式辐射能量，对应于自发辐射或受激 辐射。当半导体材料中实现粒子数反转，使得以受激辐射为主，就可以实现光放大。 如果构成谐振腔，使光增益大于光损耗，就可以产生激光。 问题的关键在于如何在半导体中实现粒子数反转。 半导体激光器的核心是p - n 结，见图2 1 2 ，它与一般的半导体p - n 结的主要差别 是：半导体激光器是高掺杂的，p 型半导体中的空穴极多，n 型半导体中的电子极多， 因此，半导体激光器p - n 结的自建场很强，结两边产生的电位差v d ( 势垒) 很大。 当无外加电场时，p - n 结的能级结构如图所示，p 区的能级比1 2 区高e v d ，并且 导带底能级( e c ) n 比价带顶( 风) p 还要低。由于能级越低，电子占据的可能性 越大，所以n 区导带中与费米能级骄间的电子数，比p 区价带中与费米能级e f 问 的电子数多。 当外加正向电压时，p - n 结势垒降低。在电压较高，电流足够大时，p 区空穴和 n 区电子大量扩散并向结区注入，如图所示，在p - n 结的空间电荷层附近，导带与 价带之间形成电子数反转分布区域，称为激活区( 或介质区、有源区) 。因为电子的 浙江人学硕十论文第二章l e d l d 理论基础 导带 钎带 赞浆 能级 辱攒 钎带 ( 蜀加 ( 分西讥 扩散长度比空穴大，所以激活区偏向p 区一侧。在激活区内，由于电子数反转， 起始于自发辐射的受激辐射大于受激吸 收，产生了光放大。进一步，由于两解理 面可以构成谐振腔，所以光不断增强，形 成激光。 只有外加足够强的电压，注入足够强 的电流，才能产生激光；否则，只能产生 荧光。荧光与激光的分界点对应着l d 的 阈值电流。 l d 的详细原理可以参考固体物理和 光电子学的相关论述，见f 5 引。 p n 结獭能镬精构；激罐蓬 图2 1 2 g a a s 的p - n 结能级 常见l i ) 介绍 前面提及，按l d 的结构不同可将其分为法布里一珀罗( f p ) 型、分布反馈( d f b ) 型、分布b r a g g 反射器( d b r ) 、量子阱( q w ) 和垂直强面发射激光器( v c s e l ) 等。下面介绍最基本的f p 型和d f b 型l d 。 1 法布里一珀罗p ) 型： f - p 型l d 是最常见和最普通的l d ，由外延生长的有源层和有源层两边的限制 层构成，由晶体的自然解理面组成一对严格平行的反射镜形成谐振腔( 这是其得名 的原因) ，图2 1 3 是其谐振腔的简单示意图。 自发发射的不与共振腔轴线平行的光予将被反射出腔外，只有与轴线平行的自 发发射光子才能促使形成受激辐射。这些与腔轴平行的光子在腔内两个反射面上来 回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次 增益，使光子数不断增长。受激辐射的光子在共振腔中来回多次反射的过程中，将 型塑2 塑堑鳖望垒茎一 釜三里! ! 里些里型堡兰壁 光 圈2 - 1 3f p l d 的示意图 因散射、透射、吸收等原因受至损耗，只有激发出的光子超过损耗，才能产生激光振 荡。 光在两反射面之间来回反射形成两列相反方向传播的波，只有这两列波叠加而 在腔内形成驻波时，这种振荡才是稳定的。也就是说，产生稳定振荡的条件是共振 腔的跃度l 恰好等于辐射光半波长的整数倍，即 2 卅( 2 即) f 2 - 9 ) 式中，h 为与波长 对应的介质折射率， 形成的各种可能的驻波叫作共振腔的纵模。 v = m c 2 n l r 称为共振腔的共振频率或纵模频率嘲。 2 分布反馈式激光二极管( d f bl d ) - m 为整数。通常将共振腔内沿腔轴方向 由于 = v ，上式可改写为 ( 2 - 1 0 ) d f bl d 与f - p l d 最大的差别在于：其腔内的光反馈是利用周期结构( 或衍射 光栅) 的布喇格反射而建立的。 工作原理： 分布反馈的实现基于布喇格衍射原理，在一半导体晶体的表面使用全息光刻法 做成周期性的波纹形状，设波纹的周期为a ，一柬平面波沿界面成口角入射后，平 面波将被波纹衍射【“”。 q 赢堪嵇舒甜! 橱l 理图 f 一 z ， 、口m * n m 图2 - 1 4 分布反馈原理示意图 浙江大学硕士论文 第= 章l e d l d 理论基础 如图2 - 1 4 ，按布喇格原理，衍射角口2 口，只有出射方向满足 2 is l r l0 2 a n( 2 - 1 1 ) 衍别波才能彼此加强，其他方向的散射波互相抵消。式中，1 1 1 为正整数，萨0 ，1 ，2 ， 称为衍射级序。1 2 为半导体介质的折射率。由于在介质内部前、后向传播的光波都 可以认为有02o = 9 0 的关系。因而上式又可改写成 2 = m a n ( 2 1 2 ) 只有满足( 2 1 2 ) 的光波才被允许在介质中出左向右和由右向左来回反射。这种 反射不是由某个反射面提供，而是由周期性波纹结构提供了相反行进的两种光波的 相互耦合，实现了腔内的反馈，耦合的程度由周期性调制的调制深度决定。当介质 内实现了粒子数反转时，光波在来回的反馈作用中不断得以加强，一旦增益满足阈 值条件即可形成激光。 b r a g g 光栅的选频功能使d f bl d 具有非常好的单色性和方向性。此外它更容易 集成化，是光电子集成电路的理想器件。 若将激活区与波纹光栅分开，则变成分布布喇格反射式( d b r ) l d ，可以减小损 耗，提高发光效率，降低阈值电流，从而可以在室温下连续工作。 其他结构的激光器有量子阱激光器、垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 等，其发 射激光的特性更加优越，这里不一一介绍。可以参考专门的文献 “4 。l 。按l d 的 结型分类，有同质结和异质绍两种。同质结激光器在室温下阈值电流很高，不能实 现室温下的连续振荡。如果在禁带较窄材料的两侧加上禁带较宽的材料构成异质结， 能够增加结区载流子的浓度，提高受激辐射的效率，从而实现室温下激光器的连续 振荡。限于篇幅，这里就不详细介绍了。 2 2 3l d 的主要特性参数 伏安特性( v - d 与l e d 一样。l d 的核心也是半导体p - n 结，它的伏安特性基本上与普通晶体 二极管相同，这里不再详细讨论。 电光转换特性( p - d f 5 】 l d 的电光转换特性在物理机理上就是量子效率。在实际电路中，还有用功率效 2 0 浙江大学硬上论文第二章l e d l d 理论基础 率来量度。 量子效率有内、外之分，l d 的外量子效率与l e 9 的定义相同，为激光区发射光 子数与注入的电子一空穴对数目之比。内量子效率定义为有源区发射光子数与注入电 子一空穴对数之比。这里主要从外量子效率 = 等 ( 2 _ 1 3 ) 因为 y e e g , 所以 2 二1 2 v ( 2 1 4 ) 只。是发射的激光功率i ，是工作电流；矿是器件的正向压降。 当注入电流较小时，l d 中无法实现振荡放大，此时自发发射产生荧光，晨。接近 于o ；当电流大于阈值电流时，只，随，直线上升( 直到饱和) 。若绘制只，一，关系曲 线，与曲线斜率对应还有外微分量子效率，它的表达式为 铲譬券“南= 譬黟“南 协 叩。与电流，无关。 同l e d 一样，温度改变半导体能带结构，对光发射的效率和光谱特性都会带来 影响。 谐振腔的腔长和反射率与l d 的效率有关。 能量空间分布特性“3 能量空间分布特性与l d 的激光模式联系在一起。光束发散角取决于l d 的横模特 性，图2 1 5 示出了与空间辐射特性有关的参数， 图2 一1 5l d 激光束的空间特性 y 轴平行于结平面，x 轴垂直于结平 面。图中示出的是基横模的辐射场，激光 在结平面方向的发散角半宽为日。，垂直 于结平面方向发散角半宽为口，。通常p 。 和目。大小有较大差别。 浙江大学硕士论文 第二章l e d f l d 理论基础 ( 1 ) ， a 当激光器的有源区厚度较大( 出2 ) 时，其辐射图形可近似看作窄缝衍射图 形。由单缝衍射角宽度公式， 口。= 2 d( 2 - 1 6 ) b 根据杜姆克导出的公式，对于异质结器件，当有源区厚度d 鄂1 岫时，可用 下面公式近似计算， 日，。 生丝 ： 。j + ( 朋2 ) ( d 2 ) 2 式中，, 4 = - 4 0 5 ( 7 。2 - 詹) ，其中飓为有源区的折射率， 变值。 ( 2 ) 0 2 ( 2 1 7 ) 码为异质结边界的折射率突 当结区的水平方( 宽度) 尺寸较小时，基模束宽 口。 w( 2 - 1 8 ) 由于y 方向传播模式的数目随有源区厚度和两侧腔壁介电系数突变的增大而增 大，也随y 方向的条宽增大而增多。因此器件在j ，方向往往出现高阶模式的振荡， 这时用( 2 1 8 ) 公式计算，误差较大，通常借助实验测量。 前面比较过f - pl d 和d f bl d ，后者中的g r a g g 光栅选频反馈的功能使得它具有 很好的方向性，而f - pl d 的发散角比较大。 光谱特性 实际l d 的发射光谱结构相当复杂。光谱宽度随注入电流增加而变宽。可参考 图。由于半导体的受激辐射发生于由许多子能级组成的导带和价带之间，所以它的 谱宽较之于气体固体激光器大得多。如g a a s 激光器在7 7 k 下发射的谱线宽度为几 埃，室温下几十埃1 5 1 。 如图2 1 6 ，根据式( 2 1 0 ) ，f - pl d 的不同模式对应了其光谱曲线中的多个峰， 其中振荡放大倍数最高的模式对应了峰值波长 p ”。 浙江人学硕士论文 第二章l e d e l d 理论基础 图2 1 6 工作在五。以上l r a t a 腔长的卜pl d 典型光谱特性 2 3 超辐射发光二极管( s l d 采用特殊的谐振腔 结构可以改善l d 的光谱 特性，如d f b l d 的线宽 只有1 埃左右，且可以只 有一个模式。 介于l d 和l e d 之间有超辐射发光二极管s l d ，具有高功率和低相干的特性。 s l d 是自发辐射的单程光放大器件，工作原理和l e d 基本上相似，其特性参数介 于l e d 和l d 之间。在正向电流注入下，有源层内反转分布的电子从导带跃迁到价 带或杂质能级时，与空穴复合而释放光子，这种自发辐射的光子在给定腔体中传播 时经过了受激增益。在器件后端面处存在一定的反射，但不提供反馈。s l d 的出现 受到光纤陀螺的推动，其高功率输出使光纤陀螺在高速旋转中具有高精度和敏感性， 低相干性降低了陀螺中反射光与信号光的干涉，使瑞利背向散射噪声降低l l 】。 由于s l d 的应用范围较小，我们的实验仪没有将其参数测试包括在内。有关 s l d 的具体结构、特性此处不详细介绍。 窜瓣糖壬一酶甏器 浙江大学硕士论文 第三章l e d l d 基本参数及其测试原理 第三章l e d l d 基本参数及其测试原理 l e l l ) r 。d 既是半导体器件，又是发光器件，需要从电学、光学和颜色三方面分 别对它们进行研究，并测量出相关的主要特征参数。我们只关注它们的电学、光学 以及电光转换的特性。根据第二章的理论介绍，两者有诸多相同之处，主要表现在 p - n 结所体现的电学特性上；由于发光机理的差异，l e d 发射的是非相干光，l d 贝t j 发 射激光，所以它们的光学特性表现出很大差别。第二章主要从物理机理引出并简略 讨论其电、光特性，本章将进一步讨论l e d l d 的基本特性参数，给出它们的测试原 理和方法。实验仪对这些参数测试的具体实现将在第四章介绍。 l e d 的特性比较简单，参数较少，主要有伏安特性( 卜d ，辐射强度空间分布 及半值角，电光转换特性( 严d ，光谱特性，调制特性，温度依赖性等。 由于激光振荡的存在，相对于l e d ，l d 具有一些独特的特性参数，除上述l e d 的 所有特性，还包括阈值电流厶，模式跳跃以及用于光通信时的相对强度噪声( r i n ) ， 比特误码率( b e r ) ，啁啾，与光纤耦合的效率等。值得注意的是，为提高性能或满 足特殊的使用要求，l e d l d 常常以组件形式出现，所以也有针对组件的特性参数， 如l d 组件的工作管壳温度、监视光电二极管特性参数等。实验仪只对l e d l d 单管进 行测试“1 。 以下详细介绍l e d l d 伏安特性、电光转换特性、辐射强度空间分布及半值角、 光谱特性的测试原理“i d - 1 2 。 3 1l e d l d 电学特征参数及其测试( 严，特性) l e d l d 的电学特征参数分为两类，一类为最大额定值，一类为正常工作时表现 f ， 出来的特性。最大额定值是指在任何情况下都不能超过的极限值，一旦超过，可能 导致器件的立即破坏。我们只对后者进行测量，包括l e d l d 的正向电流五，正向电 压所，反向电流h 和反向电压碥，通常这些参数不能超过额定值的3 4 。这是衡量 l e d l d 自e 否正常工作的最基本的判据。这些参数是对指定工作条件( 一定电压或 电流) 而言的，特别注意测试是在一定温度下进行的，通常为2 5 。c 大气环境。通过 绘制p _ ，曲线，可以使学生对器件的电学特性有直观认识，达到仪器的教学目的。 浙江大学硕= _ l 论文第三章l e d l d 基本参数及其测试原理 正向电压是半导体发光器件在规定的正向电流条件下，两极间所产生的电压降 落，测量时必须使用恒流源为器件供电，并调节其输出电流值到器件的规定工作电 流，这时用电压表量测两端的电压就可测得正向电压。如图3 1 ( a ) 所示，测量时， 调节恒流源，直至毫安表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件 的正向电压。屁为保护电阻“1 。 图3 1l e d l d 卜罐b 线测量原理( a ) 正向特性( b ) 反向特性 反向电压是被测器件通过的反向电流为确定值时，两极问所产生的电压。如图 3 - 1 ( b ) ，调节电压源，使电流表读数为规定值，此时电压表的读数就是反向电压 值。反向电流是测量在被测器件上施加规定的反向电压时产生的反向电流。如图3 1 ( b ) ，调节电压源，使电压表读数为规定值，此时电流表的读数就是反向电流。 反向电流通常很小，为微安量级，性能良好的l e d l d 的反向电流在微安表上可能检 测不到。 7 连续调节恒流源，改变l e d l d 的工作电压和电流，并记录( v ，j ) 数据；将 图3 1 ( a ) ( b ) 的正反向测试数据综合，便可得到l e d l d 的伏安曲线。伏安曲线 可以反映出器件p - n 结特性的优劣。 3 2l e d l d 的电一光转换特性( 严d 及测试方法 电光转换特性是光输出功率与注入电流的关系曲线，即p 0 曲线。电光转换特性 直接反映了器件电流注入发光的效率、性能，是l e d l d 电学特性和光学特性之间 的桥梁。 在这里，有必要先解释一下光