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) |
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P(dBm) |
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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。