发光二极管参数的测量
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发光二极管参数的测量
一发光二极管的结构和基本原理
1发光二极管的结构
发发光二极管(light emission diode LED )图 1 显示了 LED 的结构截面图。要使 LED 光,
有源层的半导体材料必须是直接带隙材料,越过带隙的电子和空穴能够直接复合发射出光子。为
了使器件有好的光和载流子限制,大多采用双异质结( DH )结构。
P 电极(+)
P 型隔离层
光
有源层
N 型隔离层
N型衬底
N电极 (-)
图 1 边发射 LED 结构截面
2 LED 的基本工作原理
LED是一种直接注入电流的发光器件,是半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能
级时,发射出光子的结果,这就是通常所说的自发发射跃迁。当LED 的 PN 结加上正向偏压,注入的少数载流子和多数载流子(电子和空穴)复合而发光。值得注意的是,对于大量
处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为ν=E g/h 的光波,但各列光波之间
没有固定的相位关系,可以有不同的偏振方向,并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传
播,这个过程称为自发发射。其发射波长可用下式来表示:
λ( μm)= 1.2396/E g(eV)
二发光二极管的特性及测试方法
1 LED的光谱特性及测试方法
由于 LED 没有光学谐振腔选择波长,所以它的光谱是以自发发射为主的光谱,图 2 显示出了 LED 的典型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值
波长,光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为谱线宽度(简称线宽),其典型值在30-40nm 之间。峰值波长和谱线宽度的测试方法如图 3 所示,当被测器件的正向工作电流达
到规定值时,旋转单色仪波鼓,使指示器达到最大值,读出波长峰值,此即为该器件的发光
峰值波长。在旋转单色仪波鼓(朝相反方向各转一次),使指示器读数为最大值的一半时,读
出两个等于最大值一半的数值,两者之差即为光谱谱线宽度。
率
1
功
25℃
对
相60℃
0.5
波长
图 2 LED 的光谱曲线
LED
探指
单
测示恒流源色
器器
仪
图 3 LED 的峰值波长和线宽测试方框图
由图 2 可以看出,当器件温度升高时,光谱曲线随之向右移动,从峰值波长的变化可以求出 LED 的波长温度系数。
2 LED 的伏安特性及测试方式
LED 通常都具有图 4 所示的较好的伏安特性。当LED管芯通过正向电流为规定的值时,正、负极之间产生的电压降,即为正向亚降(以 V F表示,单位为 V ),由于正向电阻比较小,故 V F一般都较低,图 5 示出了 V F的测试原理图
I
恒流源
V mA
V
图 5 LED 的正向压降测试原理图 4 LED 的伏安特性曲线
3 LED的电光转换特性及测试方法
电光转换特性是LED 的光输出功率与注入电流的关系曲线,即P-I曲线,因为是自发辐射光,所以 P- I 曲线的线性范围比较大如图 6 所示。 LED 的输出光功率是LED 重要参数之一,分为直流输出功率P o和脉冲输出功率。所谓直流输出功率是指在规定的正向直流工
作电流下, LED 所发出的光功率,图7 是测试原理图。测试时,把LED 和接受器置于同一
暗盒中,使发光面和接受面相互平行且尽量靠近。调解恒流源,使其正向电流I F位规定值,指示器上的读数即为被测LED 的直流输出光功率。所谓脉冲输出光功率是指在规定的幅度、
频率和占空比的矩形脉冲电流作业下,LED 发光面所发射出的光功率。测试时把LED 和接收器置于同一暗盒中,使发光面和接受面互相平行且靠近。调节脉冲源,使其峰值电流I P 为规定值时,指示器上的读数即为被测LED 的脉冲输出光功率值,图8 是测试原理图,图中 R L为取样电阻。脉冲峰值输出光功率和平均输出光功率的关系为:
P AV
P P
D R
式中, P P为脉冲输出光功率,P AV为脉冲平均输出光功率,D R为脉冲波占空比。
P
图
正向电流( mA )
6 LED 的 P-I 曲线
I
接指
示
收
器
恒流源
器
暗盒
图 7 直流输出功率测试原理图
接 指 示 收 器
器
矩形
脉冲器
示 波 器
图 8 脉冲输出光功率的测试原理图
4 LED 的辐射强度空间分别和半角值
θ 1/2θ 1/2
辐射强度空间分布是指
LED 在规定的正向工作电流下垂直和平行于 PN 结方向强度随 空间角度的分布图,它的分别影响到与光纤之间的耦合效率。测试时把 LED 置于预定的位
置上,调节恒流源,使工作电流为规定值,从
0 到 90 度转动发光器件,读取不同角度下指
示器上的辐射强度值,然后在极坐标或直角坐标上分别作出相应点的角度与辐射强度关系
图,即为辐射强度空间分布图。在分布图上读取半强度值点的角度
θ1 和 θ 2,则半角值
( 1/2)
2
1
,( 1/2 )
//2//
1 //
其中 ( 1 / 2 ) 为垂直与 PN 结方向的半角值, ( 1/ 2 ) // 为平行于 PN 结方向的半角。图
9 出示
了半角值的测量原理,图中:
L 为 LED 发光面于接收面的距离,
O 1O 2 为主光轴。调节时,
LED 的出光面和接收器的光敏面应垂直于主光轴, L 于接收光敏面直径之比至少应为
10:1。
光栏
O 1O 2
接 指 示 收
器
恒流源
器
暗盒
图 9 LED 的半角测试原理图
5 LED 的调制特性
当在规定的直流正向工作电流下,对
LED 进行数字脉冲或模拟信号电流调制,便可实
现对输出光功率的调制。
LED 有两种调制方式,即数字调制和模拟调制,图
10 示出这两种