（材料物理与化学专业论文）半导体发光二极管正向电学和发光特性的实验研究.pdf

中文摘要 半导体发光二极管是一种极为重要的发光器件，它们不但在电子仪表显示、 照明、大规模集成电路、光通信等方面有着广泛的应用，在研究领域也一直倍受 人们的关注。本文对半导体发光二极管的正向电特性进行了较为系统的研究，其 中的主要工作可以概括如下： 1 对现有的实验仪器t h 2 8 1 9p r e c i s i o nl c rm e t e r 进行了开发与改进，实 现了计算机对它的远程控制，大大提高了测试效率；根据实验需要，自 行组建了实验装置，包括低频电学测试装置和交流电压调制发光实验装 置。 2 采用基于并联模式的交流小信号法，在2 0 h z 至1 0 0 k h z 的频率范围内， 对半导体发光二极管的正向交流电特性进行了检测，并对实验结果进行 了电压分段讨论。 3 用低频电学测试装置，在1 h z 至2 0 h z 的频率范围内，对半导体发光二 极管的电容特性进行了测试。实验结果表明，所有发光二极管在明亮发 光时的电容仍为负值。 4 用交流电压调制发光装置对发光二极管的相对发光强度和发光相角进行 了检测，并对相对发光强度和发光相角随频率变化的特征曲线进行了定 性解释。 5 在我们测试的频率范围内，半导体发光二极管中普遍存在着负电容现象， 并且测试频率越低、正向电压越大，负电容现象就越显著；相对发光强 度的频率特性曲线表明，影响发光二极管负电容的因素除了载流子的强 辐射复合外，还有一个与频率密切相关的相位因子 6 通过对实验结果进行仔细分析，总结出负电容随电压、频率变化关系的 经验公式。 关键词：半导体发光二极管，正向交流小信号法，负电容，低频特性，相对发 光强度，发光相角 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) i so n eo fv e r yi m p o r t a n tl i g h t - e m i t t i n g d e v i c e sd u et ot h e i r 丽d ea p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s ，s u c ha sd i s p l a y , l i g h t i n g ， i n t e g r a t ec i r c u i t , l i g h t - s t o r a g e ，l i g h t c o m m u n i c a t i o n ，e t e i ti ss oi m p o r t a n tf o rl e d s t h a tt h es t u d i e sr e l a t e dt ot h e i re l e c t r i c a la n d o p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o nh a v eb e e nav e r y i n t e r e s t i n gs u b j e c ti nt h ep a s ta n d t o d a y i nt h i sp a p e r , t h ef o r w a r de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fl e d si ss t u d i e ds y s t e m c a l l y , a n do u rw o r ka n da c h i e v e m e n tc a nb e s u m m a r i z e da sf o f l o w s ： i w es e tu pe x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n td e v i c e si n c l u d i n gt h el o wf r e q u e n c y m e a s u r e m e n td e v i c ea n dt h ev o l t a g em o d u l a t e de l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( v m e l ) d e v i c e ；a n dw ea l s on l a d ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n tf o rt h 2 8 1 9 p r e c i s i o nl c rm e t e ri nc o n n e c t i n gw i t hac o m p u t e r , w h i c hi n c r e a s e do u r m e a s u r e m e n te f f i c i e n c yg r e a t l y 2b yu s i n gt h ef o r w a r da cs m a l ls i g n a lm e t h o d , w et e s t e dt h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f l e d so f d i f f e r e n tk i n d sa n df u n c t i o n si nf r e q u e n c yb e t w e e n 2 0 h za n dl o o k h za n d a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nd i f f e r e n tv o l t a g e r e g i o i l ss y s t e m c a l l y 3 b yu s i n gt h el o wf r e q u e n c ym e a s u r e m e n td e v i c e ，w et e s t e dt h ec a p a c i t a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fl e d si n f r e q u e n c yb e t w e e n l i - i za n d2 0 h z t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h ec a p a c i t a n c eo fl e d si sn e g a t i v ea l lt h e t i m ei f l e d se m i tl i g h tb r i g h t l yi nt h i sf r e q u e n c y 4 b yu s i n gt h ev o l t a g em o d u l a t e de l e c t r o l u m i n e s e e n e e ( v m e l ) d e v i c e ，w e t e s t e dt h er e l a t i v el u m i n o u si n t e n s i t ya n dt h ep h a s ea n g l eo fl i g h to fl e d s a n de x p l a i n e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sq u a l i t a t i v e l y 5 i nt h ef r e q u e n c yr e g i o nt h a tw et e s t e d ，t h ep h e n o m e n o no fn e g a t i v e c a p a c i t a n c eo fl e d se x i s ti nm o s ts e m i c o n d u c t o rl e d s ；t h en e g a t i v e c a p a c i t a n c ep h e n o m e n ab e c o m e ss t r o n g e ra tl o w e rf r e q u e n c i e sa n dl a r g e r f o r w a r db i a s ；a n dt h er e s u l t so ft h ev o l t a g em o d u l a t e de l e c t r o l u m i n e s c e n c e e x p e r i m e n tv e r i f i e dt h a tb e s i d e st h er a d i a t i v er e c o m b i n a t i o no ft h ei n j e c t e d c a r r i e si so n er e a s o no ft h eo r i g i no ft h en e g a t i v ec a p a c i t a n c ep h e n o m e n a , t h e r ea r ea n o t h e rr e a s o nr e l a t e dt ot h et e s t e df r e q u e n c y c l o s e l y 6 b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a r e f u l l y , w eg e n e r a l i z e dt h e e x p e r i e n t i a lf o r m u l ao f t h en e g a t i v ec a p a c i t a n c e k e y w o r d s ：l i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，f o r w a r da cs m a l ls i g n a lm e t h o d , n e g a t i v ec a p a c i t a n c e ，c h a r a c t e r i s t i ca cl o wf r e q u e n c y , t h er e l a t i v e l u m i n o u si n t e n s i t y , t h ep h a s ea n g l eo f l i g h t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名谚 签字日期泖锡月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王舞 签字日期彳年剧7 日 导师签名：2 行包 签字日期：形车二月叩日 第一章绪论 第一章绪论 半导体发光二极管具有体积小、易集成、功耗低、寿命长、可靠性高、单色 性好、波段范围宽和视觉性能好等众多优点，广泛用在电子仪表显示、照明、光 隔离、光纤通信等许多方面，是一种十分重要的发光器件，目前已成为世界上生 产量最多的半导体光电产品，同时也是应用最多的、人类生活中不可或缺的光电 子器件。正因为发光二极管如此广泛的应用，所以在研究领域也倍受关注，如对 它们的电学特性、光学特性、光电转换特性的研究长期以来一直都是极为重要的 热门研究课题。 在电学特性研究方面，迄今为止有两种最重要的实验检测手段：直流下的电 流一电压( i v ) 法和交流下的传统的电容一电压( c v ) 法，但它们有很大 的局限性。，一矿法是目前最常用的检测方法，然而仅限直流信号的单纯的，一y 法只能提供很有限的信息量。传统的c 一矿法是一种基于并联模式、主要利用反 向电压下的耗尽层模型的一种检测方法。由于c v 方法的简单实用，在早期测 量中得到了广泛的应用l l 棚。但是实际情况中存在的很多因素都会对结果的准确 性和有效性造成严重的影响。这些因素有耗尽区的俘获效应、表面状况和边缘效 应、深能级陷阱、绝缘界面层和串联电阻的影响等”。这些影响虽然可以通过 建立更接近于实际情况的物理模型和更严密的数学推导来把这些因素考虑进来， 并对结果做适当的修正，但是这样会使c y 分析变得非常复杂【1 2 1 。由此可以看 出传统的c y 方法虽然简便，但是结果的准确性和有效性均不能令人满意，即 使加上了复杂的辅助方法，能够获得的信息量也是很有限的，因此，对于至关重 要的二极管的正向交流特性的研究报道则少了许多。针对此种情况，我们研究小 组曾提出了新的表征理论【协1 9 1 ，它们可以很好地弥补传统测试方法的极大不足， 并把主要涉及并联模式的阻抗虚部的c y 法发展为可基于并联模式或串联模 式、同时涉及正向交流电特性实部和虚部的新测量方法基于并联模式或串联模 式的交流小信号测量方法。我们对发光二极管的正向电特性的研究采用的就是基 于并联模式的交流小信号测量方法，在实际工作中，作者又对这种方法做了部分 改进。 第一章绪论 另外在半导体器件电学特性的研究中，有一个相当引人注目的现象就是：在 交流小信号测试( 即通常的c 一矿测试) 中，器件的表观电容在较大的正向电压 下有时会出现负值，且往往是测试频率越低、正向偏压越大，负电容现象就越明 显。随着人们认识水平的提高，负电容现象已经为众多学者所接受，不再被认为 是由外部原因造成的，而是器件本身所具有的一种电容特性。我们曾经指出，如 果负电容现象的物理机制搞清楚以后，那么负电容器件的开发将成为可能，而这 种新型半导体器件的产生，将可能有重要的应用前景。所以近年来，负电容现象 的研究逐渐引起了人们极大的关注。到目前为止，负电容现象已在很多半导体器 件中被揭示，这些器件包括p - n 结、肖特基结、金属绝缘、同质结远红外探测器、 量子阱红外光探测器、p n 结发光二极管等多种器件，涉及s i 、g e 、g a a s 、h g c d t e 、 s e 等多种半导体材料1 蝴】。近几年来，我们研究小组就g a n 基的肖特基结二极 管、p - n 结发光二极管以及半导体激光器也都首次报道了明显的负电容现象 1 1 4 , 1 纠9 , 6 “6 5 1 ，同时在理论研究方面也取得了很大的进展【1 3 , 1 5 。但是到目前为止， 人们对负电容现象的解释还没有形成一个统一的具有较大影响力的说法，特别是 频率低于几十赫兹时的负电容现象，还没有见到有文献的报道；对负电容随电压、 频率的变化关系大多数文献也只是给出了定性的描述，没有给出明确、简单的公 式表述，虽然有些文献也推导出了理论公式，但大多都比较复杂。此外我们研究 小组对g a n 基的p - n 结发光二极管的研究表明【“删：载流子的强辐射复合是造 成发光二极管负电容的原因。但是由于实验条件的限制，我们研究小组以前的工 作只做了在几个特定频率下，负电容随电压的变化曲线，以及发光强度随电压的 变化曲线，而没有完成出负电容以及发光强度随频率的变化曲线，为此我们自行 组建了专用实验装置，对发光二极管的负电容现象进行了更系统和深入的实验研 究。 我们对现有测试仪器t h 2 8 1 9p r e c i s i o nl c rm e t e r ( 以后简称l c rm e t e r ) 进行了软件开发与改进，并利用锁相放大器等仪器自行组建了的低频交流测试装 置和交流小信号电压调制发光的实验装置。以基于并联模式的交流小信号测量方 法为理论根据，用l c rm e t e r 和自行组建的低频交流测试装置，分别在2 0 h z 至 1 0 0 k h z 和1 h z 至2 0 h z 的频率段，对不同种类、不同功能的g a n 及其他材料的发 光二极管进行了正向交流电特性的测量；同时用自行组建的交流小信号电压调制 2 第一章绪论 发光实验装置，测试分析了发光二极管的相对发光强度以及发光相角随频率变化 的发光特性；并综合这些实验结果对发光二极管的正向交流电特性以及低频下的 电容特性进行了系统的分析和讨论。 本文第二章介绍了测试仪器的开发与专用实验装置的构建；第三章介绍了发 光二极管的正向交流电特性；第四章介绍了发光二极管的低频特性；第五章为本 文工作的总结。 测试样品说明：1 群管为新蓝光3 ；姊管为绿光3 ；3 撑管为新白光2 ；群管为 红光l 。 第二章铡试仪器的开发与实验装置的构建 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 本章主要叙述作者在新购置的测试仪器的开发和专用实验装置构建方面的 工作。我们对测试仪器p r e c i s i o n l c r m e t e r ( 常州市同惠电子有限公司生产) ( 以 下简称l c rm e t e r ) 进行了开发与改进，克服了测量方面的某些不足，增加了扫 描点，实现了该仪器的计算机远程控制，大大提高了测量效率。同时，我们还构 建了发光二极管的交流小信号电压调制发光实验装置。 2 1l o rm a t e r 仪器的开发与改进 t h 2 8 1 9 精密l c r 数字电桥是一种高精度、宽测试范围的由十六位微处理 器控制的阻抗测试仪器。可测量参数有：阻抗z 、导纳y 、电容c 、电感l 、电 阻r 、品质因数q 、相位角目、电导g 、电纳b 、电抗x 和损耗因子d ；同时仪 器提供了可与计算机连接的扩展接口。与此同时，仪器自身也存在两点不足： 第一，仪器信号源的内阻为1 0 0 f 2 ，由于它的分压作用，使得测试过程中待 测器件上的实际电压值小于屏幕上的示数，有时相差甚大，严重影响 测试准确度； 第二，仪器未能实现计算机远程控制，扫描点有限( 每次最多1 0 个点) ，测 试效率很低嗍。 上述第一个问题比较容易解决，可以通过直接从待测器件两端引线直接测量 其直流电压的办法就可以实现高准确度测量。通过对同一样品的测试，结果表明 l c rm e t e r 与惠普系列仪器的测试结果能很好的吻合，从而证实了通过改进，我 们的测试仪器的测量精度是可以达到要求的。对于第二个问题，则需要对仪器的 功能进行改进和扩展。本节下面主要讨论这个问题。 2 - 1 1l o rm a t e r 仪器的开发的必要性 我们的实验往往需要在较短的时间内测试大量的不同种类和不同来源的二 极管，每一个二极管的测量可能需要重复多次，而且具体到每一次测试都要求有 4 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 尽可能多的扫描点和实验数据以便得到较好完备的特性曲线。鉴于以上原因，测 试效率就显得尤为重要。因此迫切需要对l c rm e t e r 仪器进行改进，实现更多扫 描点和计算机远程控制，以提高我们的测试效率。 2 - 1 2l a ti l e t e r 仪器的r s - 2 3 2 接口说明 目前广泛采用的串行通讯标准是r s 2 3 2 标准，也可以叫做异步串行通讯标 准，r s 为“r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ”( 推荐标准) 的英文缩写，2 3 2 是标准号，该 标准是美国电子工业协会( m a ) 在1 9 6 9 年正式公布的标准，它规定每次一位 地经一条数据线传送。大多数串行口的配置通常不是严格基于r s 2 3 2 标准，在 每个端口使用2 5 芯连接器的。最常用的r s - 2 3 2 信号如表1 所示： 信号缩写2 5 芯连接器引脚号 请求发送 r t s4 清除发送 c t s5 数据设置准备 d s r6 数据载波探测 d c d8 数据终端准备 d t r2 0 发送数据 f j 2 接收数据 r x d3 接地 g n d7 表1 同世界上大多数串行口一样，l c r m e t e r 的串行接口也不是严格基于r s 一2 3 2 标准的，而是只提供一个最小的子集。其原因是三条线的运作比五条线或六条线 的运作要经济的多，这是串行口通讯的最大优点。如下表2 ： 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 发送数据 下胁2 接收数据 r x d3 接地 g n d7 表2 仪器与计算机的连接如图2 1 所示： t x d ( 2 )( 2 ) t ) 计算机 ， r x d ( 3 )( 3 ) r x i ) t h 2 8 1 9 ( 控制者) g n d ( 5 ) ( 5 ) g n d 图m 由上图可以看到，当只用三条线来连接两个串行口，必然会存在超速错误。 即当计算机比仪器运行的快时，如果没有使用硬件数据交换的话，那么仪器从其 串行口的输入寄存器中读完信息之前，计算机有可能向仪器发送另一个字节了， 从而导致丢失信息。l c rm e t e r 可采用软件数据交换的方法来避免此错误，软件 数据交换方法按如下方式工作：控制方计算机发送一个命令字串给仪器时，应首 先发“a a ”( 十六进制) 给仪器，等待接收到仪器回发的“c c ”( 十六进制) 后， 立即开始发送命令子串，每发一个字节延时i m s ，这个过程持续直到该字串传输 完毕，发送“a ”( 十六进制) 为结束字符。 一般来说计算机的运行速度总比仪器的运行速度要快，所以当仪器发送信息 给计算机时，l c r m e t e r 不必采用软件数据交换的方法，而是只需发送。以上是 我们在编程时须引起注意的。 6 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 2 1 3l 僳吡e r 仪器的子系统命令 l c r m e t e r 仪器有许多内部子系统命令集，仪器面板上的所有功能都可以通 过编程用计算机来操作。这里我们只简单介绍一下与我们测量参数以及编程有关 的几个命令集。 ( dv o l t a g e 子系统命令集 v o l t a g e 子系统命令集主要用于设定仪器的的测量电平电压，字符? 可以 查询当前的测量电平电压。 命令语法： v o l t a g e 其中 可以是s i n ( 整数) 、n i 匕( 小数) 、n r 3 ( 浮点数) 数据格式加v 后缀的 参数。 园f r e q u e n c y 子系统命令集 f r e q u e n c y 子系统命令集主要用于设定仪器的测量频率，字符? 可以查询 当前的测量频率。 命令语法： f r e q u e n c y 其中 可以是n r l 、n r 2 、n r 3 数据格式加h z 、k h z 后缀的参数。 c u r r e n t 子系统命令集 c u r r e n t 子系统命令集主要用于设定仪器的测量电平电流，字符? 可以查 询当前的测量电平电流。 命令语法： c i 瓜r 肋t 其中 可以是n r l 、n r 2 、n r 3 数据格式加m a 后缀的参数。 ( db i a s 子系统命令集 b i a s 子系统命令集主要用于设定仪器的内偏置电压，偏执开关。 命令树如下： 7 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 ：s i a t eo n ( 1 ) o f f ( 0 ) ：l t 矩e 钾a l u s ：s t a t e 用于设定仪器的偏执开关，字符? 可以查询当前的偏置开关。其 中字符l 与o n 等价，字符0 与o f f 等价。 ；v o l t a g e 用于设定仪器的内偏置电压，字符? 可以查询当前的内偏置电 压。 可以是n r l 、n r 2 、n r 3 数据格式加v 后缀的参数。 p e r c h ? 子系统命令集 f e t c h ? 子系统命令集用于让l c rm e 衙输出一个测量结果，也是比较重要 的一个命令。下面是我们用到的一则命令。 命令语法： f e t c h ：n c m ? 此命令使l c r m e t e r 把最后一次测量的结果送到l c r m e t e r 的输出缓冲区。 l c rm e t e r 提供的a s ci i 码用于结果数据传输，如下： 在元件测量显示中a s ci i 码数据输出个是描述为 s n n n n n n e s n n s n n n n n n e s n n 这里， ， 格式： 为主参测量数据， 为副 参测量数据，使用1 2 位a s c h 码格式，如下： s n n n n n n e s n n 。 其中，s ：+ - ，n ：0 到9 ，e ：e x p o n e n ts i g n ( 指数标志) 。 t r i g g e r 子系统命令集 t r i g g e r 子系统命令集用于设定仪器的触发源，触发后的延时，和触发仪器 的测量。 命令树： 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 【：如d i 破e 】 ：s c 叮r c ed h e r n a l b u s 丑3 l d ：d e l a y ：i m m e d i a t e 用于触发仪器测量一次。 ：s o u r c e 用于设定仪器的触发源模式，字符? 可以查询当前的触发源模式。 其中，i n t e r n a l 为被仪器自动触发。 b u s 为被r s 2 3 2 接口触发。 h o l d 为在面板按t r i g g e r 键触发。 ：d e l a y 命令用于设定仪器触发后的延时时间，字符? 可以查询当前的延时 参数， 可以是n r l 、n r 2 、n r 3 数据格式，以l m s 为分辨率的0 6 0 秒时间。 以上是我们编程时需要用到的主要命令，另外还有一些命令如设定档号显 示、档记数、测量次数和速度等等，这里就不一一介绍。 2 1 4 源程序的实现 作者用v i s u a lb a s i c 语言编写了源程序，实现了计算机远程控制【6 7 ，6 s 】。我们 编写了直流偏压以o 1 v 为步长连续扫描1 0 0 个点的源程序，由于需要还编写了 非均匀步长的源程序。下面仅给出第一个程序中传输数据的模块，也是核心的一 部分。 p r i v a t es u bt u n c r l _ n m e r o i f c o m m a n d 2 c a p t i o n = s t o ps e n d i n g t h e n i f i = 0 1t h e n c a l lr e z i v e e n d i f i f i 0 a n d i 1 a n d i 审5 t h e n t e x t l 1 b x t = t e x t l t e x t + s t r $ ( i ) + c l u - ( 1 3 ) + c m l o ) m s c o m r a l o u t p u t = ”b i a s ：v o l t a g e ”+ s t r $ ( i ) + 。v “+ c h r $ ( 1 0 ) i = i + o 1 e l s e l f i 5 a n d i 5 9 a n d i 6 a n d i 7 4 a n d i 7 5 a n d i 8 9 a n d i 9 a n d i - 1 0 t h e n t e x t 9 t e x t = t e x t 9 t e x t + s i r s ( i ) + c h r ( 1 3 ) + c h r ( 1 0 ) m s c o m m l o u t p u t = ”b i a s ：v o l t a g e ”+ s t r $ ( i ) 十“v + c h ：$ o o ) i 譬i + 0 1 e l s e c a l lr e c e i v e c o m m a n d 2 c a p t i o n = ”a u t os e n d i n g ” i = 0 m s c o m m l o u t p u t = b i a s ：v o l t a g e0 v ”+ c h r g l o ) e n d i f e n d i f e n d s u b p f i v a t es u bt u n e r 2 _ t i m e r o i f c o m m a n d 8 。c a p t i o n = ”s t o pt e s t i n g t h e n m s c o m m l o 咖u t = ”f e t c h ：i m p ? ”+ c h r $ ( 1 0 ) t e x t 2 t e x t = t e x t 2 t e x t + m i d $ ( s ，1 ，1 2 ) + c h r $ ( 1 0 ) t e x t 3 t b x t = t e x t 3 t e x t + m i d $ ( s ，1 4 ，1 2 ) + c h r $ ( 1 0 ) e n d i f e n d s u b p u b l i cf u n c t i o nr e c e i v e o m s c o m m l o u t p u t = “f e t c h ：i m p ? ”+ c h r $ 0 0 ) s = m s c o m m l i n p u t i f i = 5 1t h e n t e x t 2 t e x t = t e x t 2 t e x t + m i d $ ( s ，1 ，1 2 ) + c h r ( t 3 ) + c m i l o ) t e x t 3 t e x t = t e x t 3 t e x t + m i d $ ( s ，1 4 ，1 2 ) + c h r ( 1 3 ) + c h r ( 1 0 ) e l t e x t 8 t e x t = t 瞰8 t e x t + m i d $ ( s ，l ，1 2 ) + c h r ( 1 3 ) + c k r ( 1 0 ) t e x t 6 t e x t = t e x t 6 t e x t + m i d $ ( s ，1 4 ，1 2 ) + c h r ( 1 3 ) + c h r o o ) e n d i f e n df u n c t i o n 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 2 1 5l a lm 6 t f 仪器开发的意义 通过对大量知识的学习和自己的不懈努力，作者最终实现了对测试仪器l c r m e t e r 的计算机远程控制，在实验上大大提高了测量效率，为今后的实验工作打 下了坚实的基础。但是由于时间的仓促和自身能力的限制，作者的工作还仅仅处 于较初级阶段，且主要面向数据采集，未能实现与数据采集同步图像绘制功能， 这是我们今后开发的一个重点。 2 2 交流小信号电压调制发光实验装置的构建 2 2 1 实验装置的构建 利用锁相放大器、两个直流电源以及光电二极管p h o t o d i o d e 等构建了交流小 信号电压调制发光强度测试的实验装置，主要用于测试发光二极管的交流发光特 性，如图： o s i g n a l l i a s i g n a l i n p u t 图2 - 2 交流小信号电压调制发光测试 实验装置示意图 由上图所示，l i a 为7 2 6 5d s pl o c k i na m p l i f i e r ，u 1 、u 2 为直流电源， l e d 为待测发光二极管，r 1 、r 2 为取样电阻，p h o t o d i o d e 为光电二极管，我们 同样利用l i a 内部振荡器作为信号源( s i g n a ls o u r c e ) 。 可以看出，此装置包括两个回路： 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 一个是发光回路，由e l 、l e d 、r 1 、l i a 组成，主要使l e d 发光并直接照射 到光电管( p h o t o d i o d e ) 。此回路也是进行低频下发光二极管电容特性测试的主 要部分，若把取样电阻r 1 上的信号上直接输入到l i a 的信号通道，就可以实现 对发光二极管电容特性的测量。关于这方面的内容将在第四章进行详细地论述。 第二是光电转换回路，由u 2 、p h o t o d i o d e 、r 2 、l i a 组成，主要使光信号转 换为电信号，然后从r 2 两段引线将信号输入l i a 的信号通道( s i g n a li n p u t ) ， 从而由电信号的强弱来反映光信号的相对强度。 2 2 2 原理及公式推导 交流小信号电压调制发光实验是用来测量发光二极管的发光强度随偏压、频 率的变化规律。在通常情况下，发光二极管发光强度的测量大多采用电流驱动装 置，即直流源加交流小信号电流，以保证在不同的直流偏压下，发光二极管上的 交流小信号恒定。但由于我们实验的需要，我们采用的是电压驱动电路，这样在 不同的直流偏压下，发光二极管上的交流小信号电压就会随不同的直流偏压发生 变化，如果不进行修正，就不能客观地反映发光强度随电压的变化规律。我们具 体的修正方法为：用没有修正的发光强度j ，( 我们称它为总发光强度) 除以实 际加到发光二极管上的交流小信号大小就可以得到单位信号大小的发光强度l 下面是具体的推导过程： 图2 3 是发光回路的等效电路；图2 - 4 是光电转换电路。令u i = v ，发光二 极管上的直流偏压为巧，交流小信号为e 。 由图2 - 3 ，根据分压原理，发光二极管上分得到的交流小信号大小为： r i ：掣 z z 光电管p h o t o d i o d e 工作在反向线性区时，发光强度l 正比于产生的光生信 号电流同： to c 吲 2 - 2 由图2 4 可知，r 2 上的交流信号大小p 怔比于光生小信号电流： 吲o c f i 2 - 3 第二章测试仪器的开发与实验装置的构建 为： 由2 - 2 、2 - 3 得： to c 例 2 - 4 而r 2 上的交流信号大小j 叫可以由l i a 直接读出。则单位信号的发光强度， 卢南* 篇 2 2 3 注意事项 u l 图2 - 3 发光回路的等效电路 2 r 2 图2 4 光电转换回路 2 - 5 为了保证实验的可靠性，这里有几点需要引起注意： 1 、要保持发光二极管与光电管( p h o t o d i o d e ) 之间距离的相对固定，以保证测 量结果的稳定和准确； 2 、光电转换回路中，要使光电管( p h o t o d i o d e ) 工作在足够大的反向偏压状态 因为只有在足够大的反向偏压下，光电流与光照度才成线性关系嗍；同时 注意偏压不能过大，以免光电管( p h o t o d i o d e ) 被击穿。 3 、我们测量的发光二极管发光强度只是一个相对强度，但并不影响小信号交 流电压调制发光实验。 1 4 第三章发光二极管的正向交流电特性 第三章发光二极管的正向交流电特性 我们对发光二极管的正向交流电特性进行了实验检测，并对实验结果进行了 电压分段讨论：在未发光前的小电压下，发光二极管的电容随频率的增大而减小， 随电压的增大呈指数型增长；随着电压的继续增大，发光二极管开始微弱发光， 电容随电压先增大，然后急剧减小，但电容仍为正值，此电压区域我们称之为过 渡区；随着电压的进一步增大，发光二极管明亮发光，出现负电容。可以说，在 出现发光的大电压下，发光二极管普遍存在负电容，并且不同材料、不同工艺的 发光二极管中的负电容随正向电压和交流小信号频率变化的规律基本一致。 3 1 基于并联模式的交流小信号测量方法 要分析二极管的电特性，就必须知道它的等效电路。一般说来，不论是肖特 基二极管还是p _ n 结二极管，其等效电路都可看作是由结电容c 、结电导g 和串 联电l f i r s 组成，如图3 - k a ) 所示。其中，结电容c 在反向电压下，主要是由耗尽 层电容组成，在正向电压下，对p - n 结= 极管而言，则主要由耗尽层电容、扩散 电容和具有其它成因的电容( 包括负电容) 组成【1 1 l ；串联电阻t 不管在反向电压 还是正向电压下，都主要是由半导体材料本身的体电阻和接触电阻组成；结电导 g 在反向电压下，主要是由直流电导组成，但是由于在稍大的正向电压下，由于 微分电导就比直流电导大许多，所以通常都可认为正向电压下结电导g 就等于微 分电导【7 0 】。 传统的交流小信号测试通常都采用如图3 - 1 ( b ) 所示的并联模式的测试电路， 统称c 一矿法，图中g ，和c ，分别是表观电导和表观电容。我们有必要指出的是， 这实际上是把二极管等价于电容和电阻的并联组合，当然，这里的电容和电阻都 是非线性的，且一般与频率有关。 第三章发光二极管的正向交流电特性 系： c ( a ) o 图3 - 1 ( a ) 二极管的等效电路( b ) 并联模式下的二极管测试电路 比较图3 - i ( a ) 和图3 - 1 ( b ) 所示的电路，利用阻抗相等条件，可以得到如下关 g ，= 百g ( i 琢+ r s 矿g ) + 丽r s ( ：o c ) 2 1 ( 1 + 珞g ) 2 + ( 研j c ) 2 c ，= 而币再c 面丽 其中是测试时所加的交流小信号角频率。 ( 3 - 1 a ) f 3 - l b ) 在反向电压下或很小正向e g 压, t ，因结电导g 值很小，若满足咯g 1 ， o r s c o x ? ，式( 3 1 ) 将简化为： 进一步可以得到串联电阻吩和结电容c ： ( 3 - 3 曲 ( 3 - 3 b ) 一户南南 第三章发光二极管的正向交流电特性 ll 咕2 虿一g c = ( i + r s g ) 2 g ( 3 - 4 a ) ( 3 - 4 b ) 从式( 3 - 4 b ) 可看出，在较大的正向电压下，由于珞g 1 ，致使表观电容要比 结电容小很多，甚至可能差几个数量级。但可能是受到反向和小正向情况的影响， 人们仍然经常有意无意地将大正向测试得到的表观电容直接看作结电容，这是一 个极大的失误。 3 2 小电压下发光二极管的正向交流电特性 通过对不同来源、不同颜色的发光二极管的大量测量，我们发现在正向小电 压时，发光二极管的电容随电压的增大呈指数型增长，随频率的增大而减小；电 导随频率的增大而增大。同时我们的实验结果同理论基本符合。 图3 21 # 管在1 0 0 h z 、i k h z 、1 0 k h z 、1 0 0 k h z 下 的表观电容电压曲线 1 7 第三章发光二极管的正向交流电特性 = 苞 。 图3 - 31 # 管在电压为2 1 r 时的表观电容频率曲线 图3 _ 41 # 管在电压为2 1 r 时的表观电导频率曲线 由图3 - 2 可以看出，在小电压下，电容随电压的变化关系可以分为两个区域， 当电压小于1 5 v 时，电容随电压缓慢增大区；当电压大于1 5 v 时，电容随电压 迅速增大区。发光二极管同一般的p 一一结二极管一样，在正向电压下，其电容 主要由耗尽层电容、扩散电容和具有其它成因的电容( 包括负电容) 组成。在小 正向电压下( 即发光二极管没有发光以前) ，耗尽层电容与扩散电容起主要作用。 1 8 第三章发光二极管的正向交流电特性 由于耗尽层电容正比于( 圪一y 一7 ”，而扩散电容正比于e x p ( 笔) 【7 1 1 。其中， n k 0 1 为接触电势，y 为结电压( 小电压是可以认为结电压就为二极管两端的所加电 压) ，k o 为玻尔兹曼常数，r 为绝对温度，刀为理想因子。当电压很小时，耗尽 层电容起主导作用；随着电压的增大，扩散电容迅速增大，逐渐代替了耗尽层电 容的主导地位，成为发光二极管电容的主要成分。这正对应于我们的上面所说的 缓慢增大区和迅速增大区。 图3 3 和图3 - 4 是在电压为2 v 时，发光二极管的电容和电导分别随频率的 变化曲线。由图可以看出，电容随频率的增大而减小；电导随频率的增大而增大。 这同理论嘲基本符合。下图为理论模拟计算的结果。 图3 - 5 归一化到低频时的扩散电容和扩散电导随脚下的变化情况 图3 5 中g o 为低频电导；c d 。= 警；c 。、g 。分别为扩散电容和扩散电导， 其表达式【倒为： c d = 鑫旷万一户 ，文砷 g 。= 岳盱万+ t 声 ，删 1 9 第三章发光二极管的正向交流电特性 可以看出我们的实验结果同理论基本符合。为了使实验更具有普遍性，我们 对不同的颜色的发光二极管进行了同样的实验。下面是绿发光二极管的测量结 果。 2 、2 # 管 v i 、，) 图娜猫管在1 0 0 1 t z ，l l d t z 、l o k h z 、1 0 0 1 u h , z 下 的表观电容电压曲线 图3 12 # 管在电压为2 、r 时的表观电容频率曲线 第三章发光二极管的正向交流电特性 图3 _ 8 姊管在电压为2 1 r 时的表观电导频率曲线 由图3 - 6 到图3 8 我们可以看出，绿色发光二极管也符合电容随频率的增大 而减小，电导随频率的增大而增大的规律，我们对大量的发光二极管作了相同的 实验，其结果基本是一致的，这里就不一一列举了。 由此我们可以得出：在小电压时，发光二极管的电容主要由耗尽层电容和扩 散电容构成，当电压很小时，耗尽层电容起主导作用；随着电压的增大，扩散电 容迅速增大，逐渐代替了耗尽层电容的主导地位，成为发光二极管电容的主要成 分。此时，发光二极管的电容随电压的增大呈指数型增长，随频率的增大而减小； 并且其电导随频率的增大而增大。 3 3 过渡区发光二极管的正向交流电特性 随着电压的继续增大，发光二极管开始微弱发光( 对蓝色发光二极管而言， 电压为2 4 v 左右时，开始微弱发光) ，辐射复合开始发生，负电容成分开始产生