LED是发光二极管的简称，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LD是激光二极管的简称，它利用光学谐振腔，使光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次能量便得到进一步的放大，反复如此，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。

根据全球LED产业发展情况，预计LED半导体照明将使全球照明用电量减少一半。

【实验目的】

(1)测试LD/LED的发射光谱、发射角、发散角等光学特性;

(2)测试LD/LED的电学特性(如P-I特性和V-I特性);

(3)了解LD/LED的热学特性(温度对阈值电流和输出照度的影响);

(4)了解LD/LED的色度学特性(发光体的单色性及颜色分布)。

【实验原理】

1.LED工作原理

发光二极管主要由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体材料制成，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的I-V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20.1所示。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。

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、价带中间附近)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。我们把发光的复合量与总复合量的比值称为内量子效率

式中，Nr为产生的光子数，G为注入的电子-空穴对数。但是，产生的光子又有一部分会被LED材料本身吸收，而不能全部射出器件之外。作为一种发光器件，我们更感兴趣的是它能发出多少光子，表征这一性能的参数就是外量子效率

式中，NT为器件射出的光子数。

发光二极管所发之光并非单一波长，如图20.2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。理论和实践证明，光的峰值波长λ0与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即(mm)。式中Eg的单位为电子伏特(e V)。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3.26～1.63e V之间。

图20.1LED发光原理

图20.2LED光谱图

2.LD工作原理

由激光物理理论可知，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反转分布。正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带; 而空穴则相反。如果我们用电注入等方法，使PN结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别达到平衡，如图20.3所示，那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。注入区称为载流子分布反转区或作用区。

图20.3 半导体激光器的能带图

结型半导体激光器通常用与PN结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。大部分光子一旦产生便穿出PN结区，但也有一部分光子在PN结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生出许多同样的光子。这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。

3.LED/LD的V-I特性

LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是PN结。因此，其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如图20.4所示。在正向电压正小于某一值时，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。我们将这一电压称为阈值电压或开门电压。

图20.4 LED/LD的V-I特性曲线

4.LED/LD的P-I特性

在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔，因此，LD和LED的照度与电流的P-I关系特性曲线有很大的差别，如图20.5所示。LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线，只有当电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。

对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于0，此时半导体激光器只能发射荧光; 随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于0，但尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射; 当注入电流增大到某一数值时，增益大于损耗，半导体激光器输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流Ith。

图20.5 LED/LD的P-I特性曲线

由图20.5可以看出，当注入电流较低时，LD只发射微弱的荧光。当注入电流达到并超出阈值电流后，输出照度陡峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流Ith。根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD。因具有如下关系:

因此，在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。

5.LD的温度特性

由于光电子器件是由半导体材料制成的，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光照度逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的近似关系可以表示为

式中，Tx为室温，Ith(Tx)为室温下的阈值电流，T0为特征温度。不同温度下LD的P-I曲线如图20.6所示，根据此图可以求出LD的特征温度。

图20.6 LD的温度特征曲线

【实验仪器】

实验装置如图20.7所示: LD/LED参数测量综合实验仪、数字光谱仪、功率计

图20.7 设备连接图

【实验内容及步骤】(www.daowen.com)

(1)测量LD/LED的I-V-E曲线及照度和光通量(电学特性)。

①如图20.8所示，连接线路LD/LED，注意不要强行对接。

图20.8 连接框图

②开机以前必须检查电箱的各个连接部件是否连接正确，“限流”开关是否拨至最小档，电压调节旋钮是否处于逆时针调到最小位置，加热板的220V接口是否松动。

③开启LD/LED的驱动电源，缓慢调节电流旋钮逐渐增加工作电流(注: 应通过预习，获知测量趋势)，通过电流显示记录电流值，通过电压显示记录电压值。每隔一定电流间隔，记录LED的电压值和光照度值。绘制LED的I-P曲线和V-I曲线。

④更换不同波长的LED，重复第②～③步。

⑤将LD换成LED，开启电源前，重复第②步，缓慢调节电流旋钮逐渐增加工作电流，通过电流显示记录电流，通过电压显示记录电压。每隔一定电流间隔，记录LD的电压值和光照度值，绘制LD的I-E曲线和V-I曲线。

⑥从特性曲线中求出阈值电压、阈值照度、量子效率等。

(2)测量LD/LED的E-V-I曲线，并根据数据绘制E-V-I趋势图。

数据表格如下(可根据教学要求自定义):

(3)测量LD/LED的发散角/散射角(光学特性)。

①光路搭建应注意光源与接收器等高同轴。

②转动旋转台，记录功率计数值，填写如下表格。

③将LED旋转90度，重复以上步骤，得到LED在不同角度上的发散角情况，分析LED在空间上的发散特性。

④更换LD重复①～③项内容。

(4)测量LD/LED的漏电流(电学特性)。

①按照实验(1)的要求搭建光路。

②使用漏电流测试专用连接线连接LD/LED。

③将输出电流调至最低。

④缓慢调整电流旋钮，此时器件两端电压不断上升。按照下表记录在不同电压情况下的电流情况。

注: 如果5V时，漏电流很小难测量，就只测量10V情况下的漏电流。

(5)LD/LED光谱特性测量。

①将光源放置在光谱仪的入射狭缝出处，适当地调节狭缝宽度(以能量不溢出为准)，测量LD/LED的单色性(光谱范围)。

②根据光谱仪操作手册测量LED/LD的光谱特性。

注: 本实验采用的光栅光谱仪的接收器CCD显示为通道数，用户需要先用已知光源(例如汞灯)进行标定，把通道数转换为波长数，再测量未知光源。

(6)LD/LED温度特性。

①在实验(1)的光路基础上安装温度控制器件，打开加温开关，保持5～10分钟，以使温度达到一个平衡值。

②重复实验(1)的步骤。对比同一个器件的两组数据，分析温度对器件阈值电流、功率的影响。

【思考题】

(1)在LD/LED测量时，若电流过大，会有什么现象出现?

(2)在LD/LED测量时，若电流过大，线性关系会怎样变化?

(3)在LD/LED测量时，反接会出现什么情况?

【注意事项】

(1)LD/LED接线必须驳接正确。

(2)启动驱动器前要检查: 限流开关是否在最小档，电压旋钮是否在最小值处。

(3)插拔LD/LED之前，务必先把各个旋钮调到最小，然后关闭电源开关，再进行更换。

(4)在LD的P-I-V实验测试中，电流值请勿超过40mA，以免烧坏元器件。