發(fā)光二極管電光特性及其應(yīng)用

楊胡江，王 鑫，謝儀倫，鄒 苗，葛明陽(yáng)

（北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京100876）

1 引 言

發(fā)光二極管（Light emitting diode，LED）的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料.當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（兩端加正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān).

由LED的發(fā)光原理可知，它是直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，轉(zhuǎn)換效率非常高，壽命很長(zhǎng)［1］.過(guò)去，由于LED的制作工藝不斷提高，LED的功率越來(lái)越大，它的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛.最初LED只用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種顏色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 發(fā)光二極管工作原理

發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體材料制成，其核心是PN結(jié).因此，它具有一般PN結(jié)的特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿等特?此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性.在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū).進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示.發(fā)光二極管發(fā)出光的顏色與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg有關(guān)，由能量守恒

可得發(fā)光波長(zhǎng)與Eg的關(guān)系［2-3］：

式中，禁帶寬度Eg的單位為eV.產(chǎn)生可見(jiàn)光的半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在1.63～3.26eV之間.

圖1 發(fā)光二極管的工作原理

2.2 發(fā)光二極管的特性

2.2.1 伏安特性

圖2給出了3種大功率發(fā)光二極管（1W）的伏安特性曲線.可以看出，在正向電壓小于閾值時(shí)，電流極小，二極管不發(fā)光.當(dāng)電壓超過(guò)該值后，正向電流隨電壓迅速增加，二極管發(fā)光.不同顏色的發(fā)光二極管的閾值電壓不同，由此電壓可估算LED的發(fā)光波長(zhǎng)和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度.

圖2 LED的伏安特性

2.2.2 發(fā)光強(qiáng)度

圖3給出了3種LED的發(fā)光強(qiáng)度E與工作電流的關(guān)系曲線.測(cè)量時(shí)在二極管前加匯聚透鏡，探頭在LED正前方30cm處.可以看出，在相同電流下，綠色LED最亮，藍(lán)色LED很暗，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)不同色光的敏感程度不同.

圖3 LED發(fā)光強(qiáng)度特性

2.2.3 光譜分布和峰值波長(zhǎng)

LED所發(fā)的光不是單一波長(zhǎng).將LED的發(fā)光強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)的變化繪成光譜分布曲線（用天津港東WGD-8型光柵光譜儀測(cè)量），如圖4所示.可以看出，LED的發(fā)光強(qiáng)度有一個(gè)最大值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為主波長(zhǎng)，1／2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)之間隔為光譜半高全寬Δλ，它表示發(fā)光管的光譜純度，越小說(shuō)明光的純度越高，顏色越鮮艷.

圖4 LED的光譜分布曲線

2.2.4 視角特性

LED發(fā)出的光不是平行光，不同二極管的發(fā)散角不同［4］，如5°，10°，30°，45°等.實(shí)驗(yàn)中使用的LED發(fā)散角很大，使用匯聚透鏡后，綠色LED發(fā)光強(qiáng)度的角分布曲線如圖5所示.由擬合曲線（高斯分布）及其參量可以看出，這種帶透鏡LED的發(fā)散角約為20°.

圖5 LED發(fā)光強(qiáng)度的角分布曲線

3 LED的應(yīng)用

除了激光以外，LED的顏色純度很高，可以近似看作單色光源，可以合成任意的色彩，應(yīng)用此原理可以制作大屏幕的顯示器；利用LED的電光特性，制作成本較低的通信儀器.

3.1 簡(jiǎn)單的三原色合成實(shí)驗(yàn)

顏色的疊加［5］有2種方式：減色法和加色法.本實(shí)驗(yàn)用色光加色法的原理用3種色光合成白光，驗(yàn)證加色法的基本原理.

圖6 1931-xy色度圖

顏色的定量描述用如圖6所示的色度圖表示，每種顏色都是圖中的一個(gè)點(diǎn)，圖中，藍(lán)色LED的坐標(biāo)位于馬蹄形曲線之外，主要是由于色度儀的測(cè)量誤差所致.實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制電流來(lái)控制LED的亮度，“紅＋綠”、“綠＋藍(lán)”、“紅＋藍(lán)”三點(diǎn)是等電流的2種色光疊加.合成的白光坐標(biāo)與等能白光幾乎重合，在圖中無(wú)法區(qū)別.

3.2 自由空間光通信實(shí)驗(yàn)

給LED加驅(qū)動(dòng)電路，使其電流受外加電壓的影響，就可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)進(jìn)行傳輸，如果采用紅外線，并將紅外光耦合進(jìn)光纖，就是一個(gè)實(shí)際的通信系統(tǒng).為了更加直觀的感受，采用可見(jiàn)光為載波，在空氣中傳播一段距離后，用光電三極管接收光信號(hào)并放大，就可以實(shí)現(xiàn)通信.圖7和8給出了采用的驅(qū)動(dòng)電路及其電壓-電流轉(zhuǎn)換特性.調(diào)節(jié)R4的大小，可以選擇電壓電流轉(zhuǎn)換特性線性區(qū)的起點(diǎn)電壓，R9的大小則決定了電路的放大倍數(shù)，在R4不變的情況下也決定了線性區(qū)的終點(diǎn)（飽和電壓）.要使系統(tǒng)傳輸音頻信號(hào)，則線性區(qū)范圍應(yīng)該是［-1，1］，如圖8的實(shí)心三角形所示，是最佳工作狀態(tài).

圖7 LED驅(qū)動(dòng)電路

圖8 驅(qū)動(dòng)電壓-電流轉(zhuǎn)換特性

對(duì)應(yīng)圖8中設(shè)置的不同起點(diǎn)和斜率的工作曲線，如果輸入峰峰值為1V的正弦波（1kHz），接收到的信號(hào)如圖9（a），（b），（c）所示.可以看出，當(dāng)起點(diǎn)電壓較高時(shí)，如圖8中的空心三角形曲線，輸入電壓略小于0V輸出電流就趨于零，導(dǎo)致輸出波形下部截止失真，如圖9（a）所示.如果起點(diǎn)電壓較低，而線性區(qū)的飽和電壓小于1V，如圖8中實(shí)心圓曲線，則輸入電壓超過(guò)0V輸出電壓很快趨于飽和，輸出電流就不隨輸入電壓變化了，導(dǎo)致接收到的信號(hào)上部飽和失真，如圖9（b）所示.當(dāng)線性區(qū)選擇恰當(dāng)時(shí)，如圖8中的實(shí)心三角形曲線，則接收到的信號(hào)不失真，仍然是正弦波，如圖9（c）所示.當(dāng)然，任何參量下線性區(qū)都是有一定范圍的，輸入電壓過(guò)大，輸出信號(hào)都會(huì)失真，如圖9（d）所示.

圖9 輸入（上）、輸出（下）波形傳輸特性

另外，實(shí)際的通信系統(tǒng)中，為了提高光纖的利用率，常采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù).波分復(fù)用是指在1根光纖上同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù).其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合（復(fù)用）起來(lái)，并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端.波分復(fù)用技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是能在一根光纖上同時(shí)傳輸不同波長(zhǎng)的幾個(gè)甚至幾百個(gè)光載波信號(hào)，不僅能充分利用光纖的帶寬資源，增加系統(tǒng)的傳輸容量，而且還能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益.

用2個(gè)驅(qū)動(dòng)電路分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED，采用圖10所示的簡(jiǎn)單光路將2個(gè)信號(hào)合并傳輸，在接收端只需用2個(gè)濾色片就可以將兩路信號(hào)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用.如果在光路中加入起偏器和檢偏器，還可以實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用技術(shù)，使系統(tǒng)的傳輸容量再增加1倍.

圖10 簡(jiǎn)單的可見(jiàn)光波分復(fù)用光路圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了測(cè)量LED各種特性的一些簡(jiǎn)單方法，還利用這些特性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成了三原色合成原理實(shí)驗(yàn)和光通信實(shí)驗(yàn).今天，LED的使用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，LED手電筒和臺(tái)燈隨處可見(jiàn).隨著LED向照明領(lǐng)域的邁進(jìn)，它在日常生活中的應(yīng)用將更加廣泛［6-7］.

［1］劉向陽(yáng).發(fā)光二極管（LED）和背光源發(fā)展透視［J］.光源與照明，2008（4）：14-17.

［2］暢興平.發(fā)光二極管的禁帶寬度和閾值電壓、正常工作電壓?jiǎn)栮P(guān)系的再研究［J］.機(jī)械與電子，2008（31）：135.

［3］張風(fēng)蘭.高亮度發(fā)光二極管波長(zhǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（3）：31-33.

［4］鄒建，曾甜玲，劉婧娟.基于線陣CCD的LED光功率及發(fā)散角的自動(dòng)測(cè)試［J］.壓電與聲光，2009，31（1）：109-111.

［5］顧曉玲，郭霞，林巧明，等.兩基色、三基色和熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED配色研究［J］.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2008，28（4）：532-536.

［6］王海軍，馮高明，杜慶楠.節(jié)能LED照明燈研制［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008（12）：96-99.

［7］馬彥，王紅軍，邵梅.發(fā)光二極管應(yīng)用新頗域［J］.燈與照明，2004，28（3）：37-39.