电子科技大学 微固学院 半导体光电器件 实验指导书.docx
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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
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。
（2）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2LED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，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3LED光谱图
3.LED/LD的V-I特性
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4LED/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
LD
图5LED/LD的P-I特性曲线
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LD的外微分量子效率ηD。
其具有如下关系：
（3）
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，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，光功率逐渐减小，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：
（4）
式中，Tr室温，Ith（Tr）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6所示，根据此图可以求出LD的特征温度。
图6LD的温度特征曲线
二、实验
1.实验设备及元器件
（1）LD/LED光源特性实验仪；
（2）LD3115型半导体激光二极管（带尾纤输出，FC型接口）；
（3）LED3215型发光二极管（带尾纤输出，FC型接口）；
（4）手持光功率计。
2.主要元器件简介
（1）LD3115型激光器
我们所用LD3115型半导体激光器是具有多量子阱F-P腔激光器LD，内置背景光探测器PD，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：
图7LD激光器的四种形式
图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。
PD-Nsidedwon的管是探测器PD的负（N）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，PD-Psidedwon的管是探测器PD的正负（P）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，与激光器LD的负（N））相连的称为DVD型管，与激光器LD的正（P）相连的称为POINT型管。
所用LD3115型激光器为PD-Nsidedwon的POINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC连接。
性能指标如下表所示。
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
额定功率
Pout
Iop=Ith+20
0.2
－
1
mW
中心波长
λ
CW
1290
1310
1330
nm
光谱宽度
Δλ
CW
－
2
5
nm
阈值电流
Ith
CW
－
5
8
mA
工作电流
Iop
CW
－
Ith+10
－
mA
探测器电流
Im
CW
100
－
－
μA
探测器暗电流
Id
CW
－
－
0.1
nA
表中CW表示连续。
管脚图如下：
图8
LD引脚说明：
1．激光器正和管壳；2．激光器负；3．探测器负；4．探测器正。
（2）LED3215型LED发光二极管
LED3215型LED发光二极管的性能指标如下表所示：
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
额定功率
Pout
IF=60mA
10
－
－
μW
中心波长
λ
CW
1280
1310
1350
nm
光谱宽度
Δλ
CW
－
－
170
nm
工作电压
Vop
CW
－
1.2
1.7
V
上升下降时间
Tr/Tf
CW
－
－
3
ns
LED管脚说明如下：
图9
1．管壳和LED正；2．LED负；3．探测器负；4．探测器正。
三、实验内容及操作步骤
实验装置如下：
1.将半导体激光器管壳正接到电流源2芯插座“+“孔上，开启电流源，缓慢调节电流旋纽，使工作电流逐渐上升，记录LD的光功率值，绘制P-I曲线。
切记电流最大不能超过30mA，否则会损坏激光器！
！
注意：
LD为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。
表1LD的P-I实验测试数据
I（mA）
P（μW）
2.通过P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流。
3.开启温控器电源开关，设定提高温度值10℃（可根据情况提高不同温度），升高LD的工作温度，重复实验步骤1，记录LD的P-I曲线。
比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。
注意：
当温度超过40℃时，应尽可能缩短测试时间，LD长期在高温环境中工作会缩短使用寿命。
4.开启LED的驱动电源，将LED管壳正接到电流源2芯插座“+”孔上，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，使电流逐渐上升，记录LED的光功率值。
绘制LED的P-I曲线。
表2LED的P-I实验测试数据
I（mA）
P（μW）
5.开启温控器电源开关，设定提高温度值10℃，升高LED的工作温度，重复实验步骤4，记录LED的P-I曲线。
比较在不同温度下，LED的特性曲线变化。
注意：
插拔激光器之前，务必先把“电流”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是因为带电插拔LD会造成LD的劣化。
四、实验报告要求
（1）测量LD的输出光功率和注入电流的关系，绘制P-I关系曲线，并从曲线上求出激光器的阈值电流值。
（2）测试不同温度下LD的P-I特性曲线，比较不同温度下，LD的特性曲线变化。
（3）测量LED的输出光功率和注入电流的关系，绘制P-I关系曲线，并与LD的P-I特性曲线相比较。
（4）测试不同温度下LED的P-I特性曲线，比较不同温度下，LED的特性曲线变化。
五、思考题
（1）由LD和LED的P-I特性曲线，说出自发辐射和受激辐射各自的特点及联系。
（2）温度如何影响LD和LED的工作特性？
半导体激光器光源发散角测试实验
一、基础知识
1.激光器概述
光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。
其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达、测距、全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器、调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯、光计算机的发展。
激光器一般包括三个部分：
（1）激光工作介质
激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。
（2）激励源
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
（3）谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。
于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。
所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。
一块几乎全反射，一块大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。
因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。
2.基础原理
（1）半导体激光器的基本结构
半导体激光器大多数用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。
PN结通常在n型衬底上生长p型层而形成。
在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。
图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。
（2）半导体激光器的阈值条件
当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。
小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百埃数量级。
随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。
当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。
实际上能够观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。
从定量分析，激光的阈值对应于：
由受激发射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。
据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：
（1）
这里，
是内量子效率，
是发射光的真空波长，
是折射率，
是自发辐射线宽，
是电子电荷，
是光发射层的厚度，
是行波的损耗系数，
是腔长，
为功率反射系数。
（3）横模
半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。
每个模都由自己的传播常数
和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。
横膜经端面出射后形成辐射场。
辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。
辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。
由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。
所以侧横场小于正横场发散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为：
，
表示共振腔宽度。
共振腔厚度通常只有
左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°～40°。
辐射场的发散角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。
图3半导体激光器的发散角
二、实验设备及元器件
（1）半导体激光器及可调电源：
中心波长650nm，＜5mW，电流0～40mA连续可调
（2）旋转台：
0～360°最小刻度值1°
（3）光功率指示仪：
2μW～200mW，6挡
三、实验内容和步骤
实验中所使用的半导体激光器是可见光半导体激光器，最大功率为3mw，中心波长为650nm左右。
测定半导体激光发散角的试验装置如图6所示。
半导体激光器置于旋转台中心，去掉准直透镜，使半导体激光器的光发散，并平行于旋转台面。
光功率指示仪探头与半导体激光器LD的距离为L，当旋转台处于不同角度时，记下光功率指示仪所测到的输出值，做出在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的曲线。
将半导体激光器旋转90°再测量侧横场发散角。
图6发散角测量
表1平行于PN结方向的发散角
角度（度）
输出值（μW）
表2垂直于PN结方向的发散角
角度（度）
输出值（μW）
四、实验报告要求
根据测试结果作图，求出在平行于PN结方向和垂直于PN结方向的光源发散角。
五、思考题
对LD的发散角测试结果进行分析，理解LD所发射光束的特点，并根据课堂所学知识比较LD和LED在光束发散角上的差异。
光敏电阻特性测试实验
一、基础知识
1.光敏电阻概述
光敏电阻又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；一般情况下入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常光敏电阻都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性，光谱特性，频率特性，温度特性。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
没有极性，属于纯电阻器件，使用时可加直流也可以加交流。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法，在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的价带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
2.基本原理
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管．它是基于半导体光电效应工作的。
当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好。
也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。
实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1M欧，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。
光照特性、伏安特性、光谱特性是光敏电阻的基本特性。
（1）光照特性
光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。
（2）伏安特性
在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。
（3）光谱特性
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。
二、实验设备及元器件
本实验采用SGY-8型光电探测原理综合实验仪，其整体结构如下图所示：
SGY-8光电探测原理综合实验仪整体结构图
其中，实验面板的结构如下图：
实验面板结构图
实验面板划分为几个功能区域，主要有电压表，电流表，0~20V调压直流电源，0~200V调压直流电源，恒流源，电阻区域。
电压表
采用三位半数字表头，测量范围分为200mV，2V，20V，200V四档。
其中红色插头+接高电位，黑色插头-接低电位。
电流表
采用三位半数字表头，测量范围分为200μA，2mA，20mA，200mA四档。
其中红色插头+接高电位，黑色插头-接低电位。
0~200V调压直流电源
直流电源，输出电压0~20V连续可调。
主要为APD提供工作电压。
0~20V调压直流电源
直流电源，输出电压0~20V连续可调，其中红色+为电压输出正极，黑色-为电压输出负极。
主要为各待测光电探测器件提供工作电压。
电阻区域
提供各种电阻，实验中做负载或限流用。
主要包括1k、2.4k、5.6k、10k、51k、100k固定电阻，和0~10k、0~100k可调电阻。
（单位为欧姆）
恒流源
提供恒定电流的电源，可调范围约在0~30mA。
主要为各色LED光源提供恒流电源。
主要附件包含：
1.各色发光二极管（LED）光源：
包括红、橙、黄、绿、蓝、紫、白光LED。
图示为一蓝光LED，标签所贴为LED发光颜色，中间为LED电源接口。
所有LED电源接口统一，为音频插头。
2.各种光电探测器
包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、APD光电二极管、PIN光电二极管、色敏光电二极管等。
本实验中我们将用到光敏电阻。
图示为一PIN光电二极管，标签所贴为光电探测器件名称，中间为光电探测器件接口。
主要为器件提供工作电压，或对于硅光电池等为器件提供输出接口。
所有光电探测器件接口统一，为BNC接头。
3.LED连接线
连接各种颜色LED和恒流源，其中音频插头连接LED接口，红黑插头连接恒流源的红黑插头。
4.光电探测器连接线
连接各种光电探测器，其中BNC接头连接光电探测器，另一端根据实验需要连接直流电源、电压表、电流变、电阻等。
5.照度计
测量各种光探测器实验过程中的照度，以便确定实验参数。
测量量程200lx，2000lx，20000lx，50000lx可自由切换。
图中黑色带螺纹圆筒为探头，实验时，将LED和探头旋紧。
调节恒流源的旋钮，通过液晶屏观察测量得到的照度值。
6.红黑连接线
仪器面板上都采用插孔模式，需要采用下图所示的连接线连接各器件。
对于同一点需要引出两根线的情况（如电压表测量电压），可采用图中下方两个黑色插头的那种叠加连接方式。
7.电源线
连接仪器和接线板，为仪器提供220V电源。
三、实验内容和步骤
1.亮电阻和暗电阻测量
（1）图1是光敏电阻实验原理图
图1光敏电阻实验原理
（2）首先进行照度的确定，实验使用LED白光源和照度计。
首先保证机箱电源关闭，机箱电源开关在机箱右侧。
将主机箱的恒流源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。
用LED连接线将白光LED与恒流源相连，注意红黑插头与恒流源的插孔颜色对应。
将照度计和LED白光源对准，它们上方都有螺纹，将它们旋好。
打开照度计。
打开主机箱电源，顺时针方向慢慢调节恒流源幅度旋钮，使照度计显示1000LX左右。
（可根据实际情况选择）。
如下图所示：
图2照度计测量连接图
此时，照度已经确定好，关闭电源。
（3）撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻。
按照原理图1所示连接各器件。
用光电探测连接线，BNC头连接光敏电阻。
另一
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