楊胡江，王 鑫，謝儀倫，鄒 苗，葛明陽

（北京郵電大學 理學院，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)光的半導體材料.當它處于正向工作狀態(tài)時（兩端加正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(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［1］.過去，由于LED的制作工藝不斷提高，LED的功率越來越大，它的應用也越來越廣泛.最初LED只用作儀器儀表的指示光源，后來各種顏色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用.

2 實驗原理

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).進入對方區(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)出光的顏色與半導體材料的禁帶寬度Eg有關(guān)，由能量守恒

可得發(fā)光波長與Eg的關(guān)系［2-3］：

式中，禁帶寬度Eg的單位為eV.產(chǎn)生可見光的半導體材料的Eg應在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，電流極小，二極管不發(fā)光.當電壓超過該值后，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)光波長和半導體材料的禁帶寬度.

圖2 LED的伏安特性

2.2.2 發(fā)光強度

圖3給出了3種LED的發(fā)光強度E與工作電流的關(guān)系曲線.測量時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，藍色LED很暗，這是因為人眼對不同色光的敏感程度不同.

圖3 LED發(fā)光強度特性

2.2.3 光譜分布和峰值波長

LED所發(fā)的光不是單一波長.將LED的發(fā)光強度隨著波長的變化繪成光譜分布曲線（用天津港東WGD-8型光柵光譜儀測量），如圖4所示.可以看出，LED的發(fā)光強度有一個最大值，對應的波長稱為主波長，1／2峰值光強所對應波長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.實驗中使用的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)光強度的角分布曲線

3 LED的應用

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 簡單的三原色合成實驗

顏色的疊加［5］有2種方式：減色法和加色法.本實驗用色光加色法的原理用3種色光合成白光，驗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點，圖中，藍色LED的坐標位于馬蹄形曲線之外，主要是由于色度儀的測量誤差所致.實驗中，通過控制電流來控制LED的亮度，“紅＋綠”、“綠＋藍”、“紅＋藍”三點是等電流的2種色光疊加.合成的白光坐標與等能白光幾乎重合，在圖中無法區(qū)別.

3.2 自由空間光通信實驗

給LED加驅(qū)動電路，使其電流受外加電壓的影響，就可以將電信號轉(zhuǎn)化為光信號進行傳輸，如果采用紅外線，并將紅外光耦合進光纖，就是一個實際的通信系統(tǒng).為了更加直觀的感受，采用可見光為載波，在空氣中傳播一段距離后，用光電三極管接收光信號并放大，就可以實現(xiàn)通信.圖7和8給出了采用的驅(qū)動電路及其電壓-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（飽和電壓）.要使系統(tǒng)傳輸音頻信號，則線性區(qū)范圍應該是［-1，1］，如圖8的實心三角形所示，是最佳工作狀態(tài).

圖7 LED驅(qū)動電路

圖8 驅(qū)動電壓-電流轉(zhuǎn)換特性

對應圖8中設置的不同起點和斜率的工作曲線，如果輸入峰峰值為1V的正弦波（1kHz），接收到的信號如圖9（a），（b），（c）所示.可以看出，當起點電壓較高時，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，導致輸出波形下部截止失真，如圖9（a）所示.如果起點電壓較低，而線性區(qū)的飽和電壓小于1V，如圖8中實心圓曲線，則輸入電壓超過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，導致接收到的信號上部飽和失真，如圖9（b）所示.當線性區(qū)選擇恰當時，如圖8中的實心三角形曲線，則接收到的信號不失真，仍然是正弦波，如圖9（c）所示.當然，任何參量下線性區(qū)都是有一定范圍的，輸入電壓過大，輸出信號都會失真，如圖9（d）所示.

圖9 輸入（上）、輸出（下）波形傳輸特性

另外，實際的通信系統(tǒng)中，為了提高光纖的利用率，常采用波分復用（WDM）技術(shù).波分復用是指在1根光纖上同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù).其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合（復用）起來，并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用），并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端.波分復用技術(shù)的突出優(yōu)點是能在一根光纖上同時傳輸不同波長的幾個甚至幾百個光載波信號，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)濟效益.

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

圖10 簡單的可見光波分復用光路圖

4 結(jié)束語

本文介紹了測量LED各種特性的一些簡單方法，還利用這些特性擴展實驗內(nèi)容，完成了三原色合成原理實驗和光通信實驗.今天，LED的使用已經(jīng)越來越廣泛，LED手電筒和臺燈隨處可見.隨著LED向照明領(lǐng)域的邁進，它在日常生活中的應用將更加廣泛［6-7］.

［1］劉向陽.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.

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［3］張風蘭.高亮度發(fā)光二極管波長測量實驗的設計［J］.實驗技術(shù)與管理，2005，22（3）：31-33.

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［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］.固體電子學研究與進展，2008，28（4）：532-536.

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