一 发光二极管的结构和基本原理
1 发光二极管的结构
发光二极管(light emission diode led)图1显示了led的结构截面图.要使led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.
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 =Eg/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/Eg(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.
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VF表示,单位为V),由于正向电阻比较小,故VF一般都较低,图5示出了VF的测试原理图
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Po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IF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IP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RL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:
式中,PP为脉冲输出光功率,PAV为脉冲平均输出光功率,DR为脉冲波占空比.
4 LED的辐射强度空间分别和半角值θ1/2θ1/2
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θ2,则半角值
其中为垂直与PN结方向的半角值,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,O1O2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.
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示出这两种调制方式.调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一,它关系到LED在光通信中的传输速度大小,LED因受有源区内少子寿命的限制,其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹,从而限制了LED在高比特速率系统中的应用,但是,通过合理的设计和优化的驱动电路,LED也有可能用于高速光纤通信系统.调制带宽是衡量LED的调制能力,其定义是在保证调制度不变的情况下,当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(-3dB)的频率就是LED的调制带宽,图11示出了调制带宽的测试原理图.图中L为频扼线圈,C为隔直流电容,RC为负载匹配电阻.测量的方式是调节恒流源,使电流表读数为规定值,从选定的低频开始,调节信号源输出,把输出的正弦调制光对准探测器的光敏面,改变信号源的频率,并保证调制度不变,当指示器上指示的光功率下降到选定的低频参考频率值的-3dB时,信号源的频率即为光的带宽.测量要求是:选择Rc使LED回路与信
