P-I特性曲线测量

一、实验目的

1．了解发光二极管的发光原理；
2．了解发光二极管平均输出光功率与驱动电流的关系；
3．掌握发光二极管P-I曲线的测试及绘制方法。

二、实验设备

1．THKGT-2型 多媒体光纤通信传输实验仪一台；
2．20MHz示波器一台；
3．光功率计一只。

三、实验原理

1． 半导体发光二极管工作原理、特性及应用
（一）LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向?截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
      
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。??理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 
（二）LED的特性
1．极限参数的意义 
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的值。超过此值，LED发热、损坏。
（2）正向直流电流IFm：允许加的的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
（3）反向电压VRm：所允许加的反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2．电参数的意义
（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强，该波长为峰值波长。
（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。
（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。
图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
    
（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。
（7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。
2．在实验中所用到的半导体激光器为agilent公司的HFBR-1414THFBR-1414T为高性能的半导体通信光源输出波长为820nm，ST接口。
3．光功率与注入电流曲线的关系见图1-4所示。
 
图1-4 功率与注入电流的曲线

四、实验内容与步骤

1． 关闭实验箱电源，将光发送模块中的输入模拟信号幅度调节电位器RW1和偏置电流调节电位器RW2顺时针旋转到底，使模拟驱动电流和输入信号幅度达到最小值；
2． 从接收端连接器中取出光跳线插头，与光功率计连接；
3． 打开实验箱电源，打开光功率计电源，调节光功率计波长为820nW；
4． 缓慢调节电位器RW2，依次观察发送光强度表头的显示和对应的光功率计的光功率值。并将测得的数据填入下表； 

序 号	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． 实验完毕，关闭实验箱电源，连接好光跳线，整理实验箱。

五、实验数据

整理实验数据。画出光功率与注入电流的关系曲线，分析曲线的意义。

六、注意事项

1． 由于光源、跳线及光源的ST插头属易损件，应轻拿轻放，切忌使用力气过大。
2． 在实验时不要把光纤对准自已和别人的眼睛，因为这样可能造成眼睛性损伤。