电子科技大学微固学院半导体光电器件实验指导书

电子科技大学微电子与固体电子学院

实验指导书

（实验）课程名称：半导体光电器件

电子科技大学教务处制表

7-aca一、课程性质和任务

1. 课程性质

本门课程是本科大四学生在修完《半导体物理》课程基础上的专业选修课。课程内容涵盖了半导体光电器件物理基础及几种常见半导体光电器件的工作原理、基本结构、工作特性及应用。因此，本门课程是在《半导体物理》理论基础上的器件的实际应用，具有很强的实用性。

2. 课程任务

（1）学生通过本门课程的学习，进一步领会半导体PN结的原理并了解PN结的实际应用。

（snis8722）本课程在学生熟练掌握半导体光电器件相关物理知识的基础上，掌握半导体发光二极管、半导体激光器、光电探测器及太阳能电池这些半导体光电器件的工作原理、基本结构及工作特性，了解它们的应用领域并对它们进行正确选用。

（3）课程通过实验项目的开设，使学生拥有能够熟练操作仪器进行独立实验的能力，并从实践中加深对课程中知识点的认知和理解。引发学生结合所学知识点对实验中的问题进行思考，提高学生解决问题的能力。

（4）让学生了解课程中所涉及的半导体光电器件的发展水平，为学生研究、设计及应用半导体光电器件奠定基础。

二、实验课程的内容

本课程实验主要包括以下内容：LED/LD光源特性测试；半导体激光器光源发散角测试；光敏电阻特性特性测试；硅光电池特性测试。

LED/LD光源特性测试实验

一、基础知识

1. LD工作原理

从激光物理学中我们知道，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1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。

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。

图1半导体激光器的能带图

2. LED工作原理

发光二极管是大多由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2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。

图2 LED发光原理

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。我们把发光的复合量与总复合量的比值称为内量子效率

（1）

式中，银钟花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材料本射吸收，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

（2）

式中，NT为器件射出的光子数。

发光二极管所发的光并非单一波长，如图3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λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（nm）。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。

图3 LED光谱图

3. LED/LD的V-I特性

正二十面体的展开图

LD和LED都是半导体光电器件，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4所示。在正向电压小于某一值时，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。

图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的输出光功率与电流的P-I关系特性曲线有很大的差别，如图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。

LED

图5 LED/LD的P-I特性曲线

mcu解密

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，增益克服损耗，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 。

由图5可以看出，注入电流较低时，输出功率随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并超出阈值电流后，输出功率陡峭上升。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 。可以根据其P-I曲线可以求出广告伞制作LD的外微分量子效率ηD 。其具有如下关系：

（3）

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