P-I特性曲線測量

一、實驗目的

1．了解發光二極管的發光原理；
2．了解發光二極管平均輸出光功率與驅動電流的關係；
3．掌握發光二極管P-I曲線的測試及繪製方法。

二、實驗設備

1．THKGT-2型 多媒體光纖通信傳輸實驗儀一台；
2．20MHz示波器一台；
3．光功率計一隻。

三、實驗原理

1． 半導體發光二極管工作原理、特性及應用
（一）LED發光原理
發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半導體製成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向?截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）複合而發光，如圖1所示。
      
假設發光是在P區中發生的，那麽注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介於導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對於非發光複合量的比例越大，光量子效率越高。由於複合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結麵數μm以內產生。??理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Ｅg有關，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。 
（二）LED的特性
1．極限參數的意義 
（1）允許功耗Pm:允許加於LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的值。超過此值，LED發熱、損壞。
（2）正向直流電流IFm：允許加的的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。
（3）反向電壓VRm：所允許加的反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。 
（4）工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度範圍。低於或高於此溫度範圍，發光二極管將不能正常工作，效率大大降低。
2．電參數的意義
（1）光譜分布和峰值波長：某一個發光二極管所發之光並非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發光管所發之光中某一波長λ0的光強，該波長為峰值波長。
（2）發光強度IV：發光二極管的發光強度通常是指法線（對圓柱形發光管是指其軸線）方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發光1坎德拉（符號為cd）。由於一般LED的發光二強度小，所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。
（3）光譜半寬度Δλ:它表示發光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔。
（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。
圖3給出的二隻不同型號發光二極管發光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標為相對發光強度（即發光強度與發光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。
    
（5）正向工作電流If：它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。
（6）正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。
（7）V-I特性：發光二極管的電壓與電流的關係可用圖4表示。在正向電壓正小於某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值後，正向電流隨電壓迅速增加，發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流IR<10μA以下。
2．在實驗中所用到的半導體激光器為agilent公司的HFBR-1414THFBR-1414T為高性能的半導體通信光源輸出波長為820nm，ST接口。
3．光功率與注入電流曲線的關係見圖1-4所示。
 
圖1-4 功率與注入電流的曲線

四、實驗內容與步驟

1． 關閉實驗箱電源，將光發送模塊中的輸入模擬信號幅度調節電位器RW1和偏置電流調節電位器RW2順時針旋轉到底，使模擬驅動電流和輸入信號幅度達到最小值；
2． 從接收端連接器中取出光跳線插頭，與光功率計連接；
3． 打開實驗箱電源，打開光功率計電源，調節光功率計波長為820nW；
4． 緩慢調節電位器RW2，依次觀察發送光強度表頭的顯示和對應的光功率計的光功率值。並將測得的數據填入下表； 

序 號	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
I(mA)	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80	85	90
P(nW)
P(dBm)

5． 實驗完畢，關閉實驗箱電源，連接好光跳線，整理實驗箱。

五、實驗數據

整理實驗數據。畫出光功率與注入電流的關係曲線，分析曲線的意義。

六、注意事項

1． 由於光源、跳線及光源的ST插頭屬易損件，應輕拿輕放，切忌使用力氣過大。
2． 在實驗時不要把光纖對準自已和別人的眼睛，因為這樣可能造成眼睛性損傷。