半导体激光器电学特性的测量实验

半导体激光器电学特性的测量实验

测试实验原理

半导体激光器的核心是PN结，当用光照和电子束激励或电注入等方式使半导体中的载流子从平衡状态时的基态跃迁到非平衡状态时的激发态，此过程称为激发或激励，它的逆过程就是处于非平衡态激发态上的非平衡载流子回复到较低的能态而放出光子的过程，这就是复合辐射。半导体发光器件的本质就是注入到半导体PN结中的非平衡载流子——电子空穴对复合发光。这是一种非平衡载流子复合的自发辐射，激光器则是上述的非平衡载流子的复合发光在激光器的具有增益的光介质谐振腔作用下形成相干振荡而输出激光，所以发光管的发光效率决定于半导体材料的自发辐射系数的大小。激光器辐射发光除与材料的增益系数有关外还与谐振腔的特性和结构尺寸有关。半导体材料的增益系数为：

gjm

为增益因子，m为与结构有关的指数，j为电流密度。

激光器的阈值条件为：

ga(1/2L)Ln(1/R1R2)

a为腔内的其它损耗，Ｌ为腔长，R1R2为腔端面的反射系数，所以激光器的阈值电流

密度为：

mjth1/1/2LLn1/R1R2

由上可知一个制作好的激光器件或发光管，它既是一个ＰN结二极管，又是一个电光转

换器，它们的工作过程是，当给它正向注入载流子时则在二极管中产生电

子空穴对的复合跃迁而发射光子，光子的能量由二极管的材料的禁带宽度g决定，Eghvh，为普朗克常数，v为光频率，发射的同时还存在光的吸收，称为吸收

跃迁。注入小时，吸收大于发射，没有光输出，当注入载流子增大时随发射的增加将逐渐大于吸收而得到荧光输出，发光管就是这样工作的。但对于激光器由于有介质谐振腔存在，则输入载流子达到激光器的阈值电流时则产生激光输出，再继续增加注入电流，输出光功率也增大，同理，管的功率发热也增加，注入过大时则管子因发热而损坏，从这里我们可以看出，半导体激光器件的特性包括PN结二极管的I—V特性和载流子注入而产生的电光转换特性，测量其特性参数可采用两种电注入方法：第一种为脉冲法、第二种为直流法。所谓脉冲法就是用低频率脉冲电流注入器件进行测量，一般用干非线型管或不能在室温下连续工作的器件。直流法是直流电流注入的方法，对能在室温下连续工作的器件进行测试。有时为获得某个特性参数，可在特定条件下进行测量，这里我们不去讨论它。我们的实验主要是通过测量器件的I—V特性曲线和I—P特性曲线来获得器件的主要电学参数和电光参数。下面就几个参数作一介绍：

正向电压（VF）——二极管开始导通时的管压降 正向电阻（RF）——二极管导通后的正向电阻 反向击穿电压（VR）——二极管的反向击穿电压 阈值电流

EIth——开始出现激光的注入电流

外微分量子效率D——输出光子数随注入的电子数增加的比率，考虑到

hvEgeVb 则有

Ddp/hvdpedp1dI/edIEgdIEg

基于在激光器阈值以上的Ｐ—Ｉ曲线几乎是直线，同时在

Ith对应的输出功率Pth很小，

可忽略不计：也不去涉及光子数与电子数，而用一些不可测量来表示斜率效率在实际测量中，

dpsdI，

s由下式得出

sP2P1I2I1

1和P1和P2分别为阈值以上额定光效率的１０％和９０％；I1和I2分别为P2对式中，P应的电流。外微分量子效率应用百分比表示，而斜率用W／Ａ或mW/mA表示。例如：

dpdI0.4mW/mA,Eg1.45eV。则D28%

功率效率p——输出功率与输入电功率之比，假如加在激光器上的正向电流为I，输出功率为P，则功率效率可表示成：

pP/IVI2RspP/IV或

式中：V为Ｐ—Ｎ结上的电压降；Rs为激光器的串联电阻，它包括材料的体电阻和接触电阻。

另外，激光器发射的激光脉冲响应特性，也是应用中的一个重要参数。它决定了器件在高频调节时的调制深度同时可以观测到器件的噪声特性，这方面的测量需要一个高上升速率的脉冲源、激光器的高速调制电路装置、快速响应的光噪测器和高速的取样示波器作显示。 测量I—V曲线和I—P曲线可以对激光器件和发光管的特性作全面的了解，知道它的发光强弱、效率的高低、线性好坏的程度，有无扭折和扭折出现的位置，进一步可以通过曲线定量的导出器件的特性参数。I—V曲线就是二极管的伏安特性曲线如图 1所示。这一般大家都很熟悉。这里来介绍由它确定的几个参数。首先，正电压VF可利用I—V曲线的外推法得到，

图 1 Ｉ—Ｖ曲线 二极管的伏安特性曲线

见图 1中的VF点。对GaAs双异质结激光器，VF≤1.4伏，由VF可以估算出阈值时的电压

Vth=[VF+0.1-0.4]伏。如不是此值，则器件的正向电阻大。对器件的室温连续工作不

利。其次正向电阻RP也可以由曲线求出，见上图：

RFtg,RV/I

RF越小越好。

对GaAs双异质激光器RF＝（

Vth-1.5）/Ith，值RF还可以用定标电流点测量。如电

流为I1，此时的电压点为V1见图1则：

RF＝（V1－VF）／I1

VF和RF两个参数表示激励电流通过器件时其内部的热损耗，它们与激光器的腔宽、

腔长、处延层的厚度和电阻率有关，测量它对器件的制造者改良工艺设计，提高器件质量很有意义，而对于使用者则要选用，VF不能大，RF越小越好的管子。

阈值电流

Ith和外微分量子效率0通常都用实验得到，从测量Ｉ—Ｐ曲线获得Ith和DIth可利用Ｉ—Ｐ曲线的外推法得到如图 1所示。Ith对不同

I的激光器件差别是很大的，它对温度也是很敏感的。温度升高，th增大。外微分量子效率D，

是一种简便的方法。阈值电流可以先求

SPI，然后代入前公式求的得。

Ith和D表现了器件的电光特性，

它与器件的腔长，有深层的厚度及外延层的质量有关。

对阈值电流th还可以用变相管观察光发射的远场图测量。变相管的作用是将不可见的

红外光显示到荧光屏上观察远场图。图2中（a）是发荧光时的光场图，（b）是产生超辐射的光场图，（c）是产生激光时的光场图。当开始出现激光图形时的注入电流值，读作阈值电流值。观测th时的远场图时要求变象管尽量地距激光器近一些。这样图形清楚，这是由于半导体激光器辐射光发散角大的缘故。

II

（a） （b） （c）

图 2 CaAs激光器的远场图样

测试实验装置

（１）直流稳压电源，要求电压稳定、内阻小，电流或电压可调，用作LD注入电流源。 （２）功率计（带探头） （３）电流表0-200mA （４）电压表0-20V

（５）带有LD管座的测试盒 （６）红外变象管 （７）变象管电源

测试实验步骤

实验前要认真阅读讲义，弄清实验内容，了解仪器的使用方法，然后开始实验。要求测量半导体激光器的I—V特性和I—P特性并绘成曲线，运用测得曲线定

量分析器件的特性参数，其中包括阈值电流，正向电压VF，正向电阻RF外，微分量子效率D和功率P。

（１）按测量电路接好各仪器的联线，并检查无误，注意激光器的注入电流电源输出为零。

（２）将激光器装在测试盒的管座上。

（３）依次开通各仪器、功率探测器、记录仪、稳压电源。

（４）调整使用仪器：慢慢增加ＬＤ的注入电流，记录电流、电压和功率。

注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流。并得出I—V和I—P曲线。

（５）拿走功率探测器，放上变象管，接通变象管电流然后慢慢增加注入电流，并同时观察变象管的图象，记下刚出现激光图象时的注入电流，此即为阈值电流。

测试实验结果

(1)将所测数据列入表1中，并作出曲线。

表 1 I V P

(2)记录仪画出的曲线进行计算 (3)将被测器件的参数列入表2中

器件名称 ＶＦ ＲＦ 表2 Ｉth RF ηD ηP