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《激光生物學(xué)報(bào)》2017年第3期

摘要：激光二極管是采用化合物材料制作成的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，其具有成本低、功耗低、發(fā)光均勻以及穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，在正向偏壓下可產(chǎn)生藍(lán)、紅、綠等光，是一種應(yīng)用價(jià)值較高的光電子器件。對(duì)激光二極管的正向電特性進(jìn)行研究，能夠掌握內(nèi)部物理機(jī)制，增強(qiáng)激光二極管的性能。為增強(qiáng)激光二極管的性能，采用表征方法對(duì)發(fā)光二極管的電學(xué)特性實(shí)施精確檢測(cè)。采用正向交流小信號(hào)C-V融合直流I-V特性的方法，獲取激光二極管的電參數(shù)。結(jié)果表明，不同顏色的激光二極管在低頻率以及高電壓時(shí)產(chǎn)生顯著的負(fù)電容，同電壓間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系；不同頻率下的表觀電導(dǎo)，在高電壓下隨著電壓的增大而呈現(xiàn)指數(shù)提升，在低電壓和高頻率時(shí)對(duì)表觀電導(dǎo)造成微弱干擾。

關(guān)鍵詞：激光二極管；正向電；特性；檢測(cè)

1引言

激光二極管是采用化合物材料制作成的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，其具有成本低、功耗低、發(fā)光均勻以及穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，在正向偏壓下可產(chǎn)生藍(lán)、紅、綠等光，是一種應(yīng)用價(jià)值較高的光電子器件。對(duì)激光二極管的正向電特性進(jìn)行研究，能夠掌握內(nèi)部物理機(jī)制，增強(qiáng)激光二極管的性能[1]。以往通常采用直流下的電流-電壓(I-V)法，分析激光二極管的正向電特性，然而從直流I-V曲線圖中獲取的信息量有限，并且需要設(shè)置大量的假設(shè)條件，導(dǎo)致該種方法無法對(duì)激光二極管的正向電特性進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)[2]。因此，尋求有效的方法，準(zhǔn)確檢測(cè)激光二極管的正向電特性，變得尤為重要。

2激光二極管正向電特性的檢測(cè)

2.1并聯(lián)模式的正向交流小信號(hào)檢測(cè)

通常情況下的p-n結(jié)激光二極管的等效電路是由結(jié)電容C、結(jié)電導(dǎo)G以及串聯(lián)電阻rs構(gòu)成。（1）反向或小正向電壓下，激光二極管的結(jié)電導(dǎo)G值較低[4,5]，存在1,r1ssrGC。（2）高電壓情況下結(jié)電導(dǎo)G的主要表現(xiàn)是微分電導(dǎo)，其隨電壓呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)[6]。此時(shí)式(3)中的條件將無法滿足，若該種情況下存在較高的結(jié)電導(dǎo)G和較低的結(jié)電容C。

2.2激光二極管電參數(shù)估計(jì)

通過上述描述的正向交流小信號(hào)法無法獲取激光二極管的結(jié)特性[8,9]，激光二極管是一種兩端子器件，其I-V特性同p-n結(jié)器件存在相似性。因此，采用正向交流小信號(hào)C-V融合直流I-V特性的方法[10]，獲取激光二極管的串聯(lián)電阻(V)sr、理論型因子n(V)以及結(jié)電容C(V)等參量隨電壓V的變化關(guān)系是：將理論型因子n以及串聯(lián)電阻rs當(dāng)成受到外部電壓和電流變化而出現(xiàn)變化的量。

3激光二極管正向特性的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

藍(lán)激光二極管的表觀電容在不同頻率狀態(tài)下隨著電壓的變化而變化的曲線。電壓值比3.0V小的情況下，各頻率狀態(tài)下的C-V曲線基本一致。因?yàn)樵诘碗妷呵闆r下，擴(kuò)散電容以及負(fù)電容對(duì)激光二激光電容的價(jià)值度較低，激光二極管的端電容同耗盡層電容間具有較高的關(guān)聯(lián)性[15]，而第正向偏壓以及反向偏壓狀態(tài)下的耗盡層電容能夠保持平穩(wěn)，所以各頻率下的電容曲線間具有較低的差異性。電壓值比3.0V高的情況下，從圖1(a)中可以看到10kHz頻率狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的藍(lán)激光二極管未出現(xiàn)負(fù)電容，其電容值隨著電壓值的提升而呈現(xiàn)指數(shù)提升的趨勢(shì)[16]；但是在100Hz和1kHz的低頻率下，藍(lán)激光二極管的負(fù)電容值隨著電壓的增加而增加，能夠看出藍(lán)激光二極管產(chǎn)生負(fù)電容情況下的電壓同頻率間的具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。藍(lán)激光二極管的總中斷電容是耗盡層電容、擴(kuò)散電容以及負(fù)電容的匯總，耗盡層電容具有較高的穩(wěn)定性,擴(kuò)散電容在電壓值提升情況下，呈現(xiàn)指數(shù)提升的狀態(tài)[17]。

當(dāng)電壓值呈現(xiàn)大幅度提升趨勢(shì)時(shí)，負(fù)電容對(duì)終端電容的影響力逐漸提升，最終高于正擴(kuò)散電容對(duì)總電容的影響力，該種情況下電容將呈現(xiàn)大幅度降低趨勢(shì)，形成負(fù)電容。在100Hz以及1kHz的低頻率狀態(tài)時(shí)，藍(lán)激光二極管在較小電壓時(shí)形成負(fù)電容，隨著電壓的增加，負(fù)電容出現(xiàn)了顯著的下降趨勢(shì)。繪制藍(lán)激光二極管的正電容對(duì)數(shù)ln|Cp|-V曲線，分析藍(lán)極光二極管的電容同電壓間的關(guān)系。能夠看出，在1kHz以及100Hz狀態(tài)時(shí)，由于電壓值的不斷增加，激光二極管的負(fù)電容的絕對(duì)值也逐漸增加，各頻率下的ln|Cp|-V曲線呈現(xiàn)平行狀態(tài)。擬合曲線性波動(dòng)范圍能夠看出隨著電壓的提升，負(fù)電容出現(xiàn)指數(shù)提升趨勢(shì)，負(fù)電容和電壓間的關(guān)系可用mVpCe描述。基于肖克萊p-n結(jié)原理可得電容C同exp(qV/nkT)存在正相關(guān)性[18]。其中q表示電子電量，n是理論型因子，k是波爾滋蔓常數(shù)，T和V分別表示絕對(duì)溫度和結(jié)電壓，高電壓狀態(tài)下，對(duì)對(duì)數(shù)ln|Cp|-V曲線實(shí)施擬合操作，能夠獲取其斜率m的值是10，因此得到理論型因子n為4。

4結(jié)束語(yǔ)

本文采用正向交流小信號(hào)C-V融合直流I-V特性的方法，獲取激光二極管的電參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同顏色的激光二極管正向電特性進(jìn)行檢測(cè)研究，獲取的結(jié)論為：固定頻率狀態(tài)下，激光二極管的電容隨著電壓的提升出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，最終降低到負(fù)值。負(fù)電容在電壓不斷提升下呈現(xiàn)出顯著的表觀特性。隨著電壓的提升表觀電阻呈現(xiàn)指數(shù)提升趨勢(shì)。

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作者：段文群1，楊建峰2 單位：1.漢江師范學(xué)院，2.華為機(jī)器有限公司