南郵應(yīng)用物理光電綜合設(shè)計(jì)

.z..--可修編-光電綜合設(shè)計(jì)學(xué)院：理學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)：**：年月日～年月日目錄一、課題1：半導(dǎo)體中載流子濃度的計(jì)算分析11.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)11.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路11.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建?！?1.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析3二、課題2：光電探測(cè)器光電流的計(jì)算62.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)62.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路62.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建?！?2.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析8三、課題3：半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性的計(jì)算103.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)103.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路103.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建模〕113.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析12四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)16-.z..--可修編-一、課題1：半導(dǎo)體中載流子濃度的計(jì)算分析1.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)：假設(shè)鍺中含有一定數(shù)量的雜質(zhì)元素Sb，試根據(jù)要求分析雜質(zhì)濃度與電離度以及電離溫度之間的關(guān)系：〔1〕當(dāng)Sb濃度分別為和時(shí)，計(jì)算雜質(zhì)99％，90％和50％電離時(shí)的溫度各為多少？〔2〕根據(jù)一定雜質(zhì)類型和雜質(zhì)濃度，畫出電離度和溫度的關(guān)系圖線，并確定半導(dǎo)體處于強(qiáng)電離區(qū)〔電離度>90％〕的溫度圍。設(shè)計(jì)要求：〔1〕具有友好輸入輸出界面；〔2〕調(diào)整輸入數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)結(jié)果，并進(jìn)展分析。1.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路此題是摻雜一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體，分析其雜質(zhì)濃度、電離度及電離溫度之間的關(guān)系，并且在雜質(zhì)濃度的條件下根據(jù)電離度計(jì)算溫度。由固體電子導(dǎo)論中載流子濃度的知識(shí)，隨著溫度升高，電離程度加大，載流子濃度也增加，但溫度進(jìn)一步升高后，雜質(zhì)全部電離，此時(shí)以本征激發(fā)為主，載流子濃度迅速增加，此題中鍺中摻Sb時(shí)，形成n型半導(dǎo)體，任務(wù)是要作出一定摻雜濃度下電離度和溫度的關(guān)系曲線，計(jì)算公式如下：濃度為1014時(shí)電離度與溫度的關(guān)系式為：D=1-e*p(116./T)*10^(14)/10^(15)./T.^(1.5)濃度為1017時(shí)電離度與溫度的關(guān)系式為：D=1-e*p(116./T)*10^(17)/10^(15)./T.^(1.5)1.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建?！砱ui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningF',OpeningF,...'gui_OutputF',OutputF,...'gui_LayoutF',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback=str2func(varargin{1});endifnargout[varargout{1:nargout}]=gui_mainf(gui_State,varargin{:});elsegui_mainf(gui_State,varargin{:});endfunctionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)globala;globalb;c1=solve('116/T=1.5*log(T)-2.3');c2=solve('116/T=1.5*log(T)-9.2');c3=solve('116/T=1.5*log(T)');c4=solve('116/T=1.5*log(T)-6.9');c5=solve('116/T=1.5*log(T)+3');c6=solve('116/T=1.5*log(T)-3.9');switchacase1ifb==1set(handles.te*t1,'String',double(c1));elseifb==2;set(handles.te*t1,'String',double(c3));elseifb==3;set(handles.te*t1,'String',double(c5));end;case2ifb==1set(handles.te*t1,'String',double(c2));elseifb==2;set(handles.te*t1,'String',double(c4));elseifb==3;set(handles.te*t1,'String',double(c6));end;endglobalab;c3=solve('116/T=1.5*log(T)');c4=solve('116/T=1.5*log(T)-6.9');ifa==1T=17.58:0.1:40;D=1-e*p(116./T)*10^(14)/10^(15)./T.^(15);plot(T,D);*label('?aê????èK');ylabel('μ?à??è');title('?¨?è?a10^14(cm*3)ê±μ?à??èoí???èμ?1??μí???');set(handles.te*t3,'String',double(c3));elsea==2T=80:1:550;D=1-e*p(116./T)*10^(17)/10^(15)./T.^(15);plot(T,D);*label('?aê????èK');ylabel('μ?à??è');title('?¨?è?a10^17(cm*3)ê±μ?à??èoí???èμ?1??μí???');set(handles.te*t3,'String',double(c4));end1.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析1.4.1.仿真結(jié)果：圖1-1圖1-2圖1-3圖1-41.4.2.結(jié)果分析：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，隨溫度升高載流子濃度逐漸增大至到達(dá)一個(gè)飽和狀態(tài)，即前面所說的高溫本征激發(fā)，此時(shí)載流子濃度不變化，電離度也是逐漸增大至一穩(wěn)定水平。二、課題2：光電探測(cè)器光電流的計(jì)算2.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)：計(jì)算光電探測(cè)器的光電流。設(shè)計(jì)要求：〔1〕具有友好輸入輸出界面；〔2〕參量可任意輸入；〔3〕模擬輸入一組數(shù)據(jù)〔數(shù)據(jù)值應(yīng)與實(shí)際相當(dāng)〕，給出結(jié)果。參考："光電子學(xué)"光電探測(cè)器2.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路該設(shè)計(jì)單元進(jìn)展數(shù)值計(jì)算，不涉及圖象，故可編輯相應(yīng)數(shù)量的輸入框以及相應(yīng)數(shù)量的輸出框即可。光電探測(cè)器光電流的計(jì)算涉及11個(gè)變量，分別為：二極管橫截面積A，P區(qū)摻雜濃度Na，N區(qū)摻雜濃度Nd，電子擴(kuò)散系數(shù)Dn,空穴擴(kuò)散系數(shù)Dp，少數(shù)電子載流子壽命n，少數(shù)空穴載流子壽命p，電子空穴對(duì)光產(chǎn)生率GL，反向偏壓V，溫度T，p-n結(jié)基質(zhì)，影響本征載流子濃度。計(jì)算中得出四個(gè)中間結(jié)果，為：電子擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln，空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp，建電壓Vbi,耗盡層寬度W。最終結(jié)果：光電流I。其中有判斷過程，當(dāng)計(jì)算出的Ln和Lp與W相比很小時(shí)可將光電流作為瞬時(shí)電流，在此不作判斷，得出準(zhǔn)確結(jié)果。設(shè)計(jì)思路：T不同，將影響本征載流子濃度以及建電壓的值，但為了簡(jiǎn)化問題，這里只計(jì)算溫度為300K時(shí)的情況，即常溫下的情況?？紤]到不同基質(zhì)將有不同的本征載流子濃度，而GaAs也是重要的探測(cè)器物質(zhì)，因此設(shè)計(jì)單元選擇不同物質(zhì)來獲得相應(yīng)的載流子濃度，給出Si,Ge.GaAs三種常見基質(zhì)。并給每個(gè)輸入變量設(shè)定相應(yīng)的缺省值。2.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建?！砱ui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningF',w*y11_OpeningF,...'gui_OutputF',w*y11_OutputF,...'gui_LayoutF',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback=str2func(varargin{1});endifnargout[varargout{1:nargout}]=gui_mainf(gui_State,varargin{:});elsegui_mainf(gui_State,varargin{:});Endfunctionw*y11_OpeningF(hObject,eventdata,handles,varargin)handles.output=hObject;guidata(hObject,handles);functionvarargout=w*y11_OutputF(hObject,eventdata,handles)varargout{1}=handles.output;functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)VR=str2num(get(handles.edit1,'String'));Dn=str2num(get(handles.edit5,'String'));Dp=str2num(get(handles.edit6,'String'));Tn=str2num(get(handles.edit7,'String'));Tp=str2num(get(handles.edit8,'String'));Ln=sqrt(Dn.*Tn)*10^4;Lp=sqrt(Dp.*Tp)*10^4;e=1.6*10^(-19);Na=str2num(get(handles.edit3,'String'));Nd=str2num(get(handles.edit4,'String'));Vbi=0.026*log(Na.*Nd./(1.5*10^(10))^2);W=sqrt(2*11.9*8.85*10^(-14)*(Na+Nd).*(Vbi+VR)/(e.*Na.*Nd))*10^4;A=str2num(get(handles.edit2,'String'));Gl=str2num(get(handles.edit9,'String'));I=e.*A.*10^(-8).*Gl.*(W+Ln+Lp)*0.1set(handles.edit10,'String',num2str(I));guidata(hObject,handles);end2.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析2.4.1.仿真結(jié)果：圖2-1圖2-22.4.2.結(jié)果分析：(1)選擇Si及所有缺省值，得到Ln=4.4721um

，

Lp=3.4641um

，W=0.73324um

，

Vbi=0.71534V

，I=0.13871mA

選擇GeLn=4.4721um

，

Lp=3.4641um

，W=0.67947um

，

Vbi=0.3317V

，I=0.13785mA

選擇GeAsLn=4.4721um

，Lp=3.4641um

，W=0.78227um

，

Vbi=1.0907V

，I=0.1395mA

可以看到，在這組條件的情況下，雖然本征載流子濃度差異引起建電壓的較大不同，由于耗盡層相比擴(kuò)散區(qū)寬度很小，因此差異不大，且光電流很小。(2)縮短載流子壽命，令其為0.1ns;得到三個(gè)長(zhǎng)度(Si)：Ln=0.44721um,Lp=0.34641um,W=0.73324um,已經(jīng)在同一數(shù)量級(jí)上,但由于未增大W，光電流減小。(3)增大摻雜濃度：令Na=2*10^18cm-3,Nd=10^18cm^-3

:結(jié)果(Si)Ln=4.4721um,Lp=3.4641um,W=0.076489um

,Vbi=0.95481V

,I=0.1282mA

?？梢钥吹?，增大濃度雖然增加了建電壓，但會(huì)很大幅度的減小耗盡層寬度，相應(yīng)的會(huì)減小光電流。(4)增大反向偏壓，Si的情況下，令V=4V，其他條件不變,W=0.96625um,I=0.14244mA，因此增大偏壓可以增加一定的光電流，但并不十分顯著。(5)很明顯，加大截面積A和提高產(chǎn)生率G將直接增大光電流，每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)都將直接提高光電流一個(gè)數(shù)量級(jí),是最有效的提高光電流的方法。(6)擴(kuò)散系數(shù)一般為較固定的值，因此模擬中就盡量保持其不變，同時(shí)通過不同情況下的模擬發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)雖然具有本征濃度幾個(gè)數(shù)量級(jí)上的差異，但在各種情況中相差很小，只有在摻雜很低的時(shí)候反映出一些差異，但在實(shí)際應(yīng)用的條件下，光生電流的差異非常小。主要原因在于本征載流子濃度數(shù)量級(jí)上的差異反映到建電場(chǎng)時(shí)已轉(zhuǎn)化為系數(shù)差異，且通常小于外加電壓。三、課題3：半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性的計(jì)算3.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)：仿照"光電子學(xué)"課本，用線性擬合方法求半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度、微分量子效率。設(shè)計(jì)要求：〔1〕具有友好輸入輸出界面；〔2〕參量可任意輸入；〔3〕模擬輸入一組數(shù)據(jù)〔數(shù)據(jù)值應(yīng)與實(shí)驗(yàn)相當(dāng)，考慮適宜的間隔〕，給出結(jié)果。參考："光電子學(xué)"半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性3.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路半導(dǎo)體激光器中閾值電流密度計(jì)算方法是：其中第一局部是輻射因素，第二局部是非輻射因素，一般為俄歇輻射影響。本實(shí)驗(yàn)中忽略非輻射復(fù)合影響，則計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為J=e*n*d*10^(-4)/(t*10^(-9));從公式中看出，閾值電流密度主要受有源區(qū)寬度、載流子濃度和輻射復(fù)合時(shí)間決定，用Matlab工具建立模型，以這三個(gè)量為自變量，通過得出的閾值電流密度的變化可以較為直觀地感受到這三個(gè)變量的影響程度。微分量子效率可以通過如下公式計(jì)算：其中Pout－Pth是輸出光功率增益，I－Ith是輸入電流增益，v是光子頻率，h普朗克常數(shù)、e電子電量為常數(shù)。所以在用Matlab建立模型時(shí)設(shè)定前三者為變量，影響微分量子效率大小。同樣的，輸入幾組數(shù)據(jù)并觀察結(jié)果。3.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔建?！砱ui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningF',OpeningF,...'gui_OutputF',OutputF,...'gui_LayoutF',[],...'gui_Callback',[]);ifnargout[varargout{1:nargout}]=gui_mainf(gui_State,varargin{:});elsegui_mainf(gui_State,varargin{:});endfunctionedit4_Callback(hObject,eventdata,handles)input=str2num(get(hObject,'String'));if(isempty(input))set(hObject,'String','');endguidata(hObject,handles);input=str2num(get(hObject,'String'));if(isempty(input))set(hObject,'String','');endfunctionedit10_Callback(hObject,eventdata,handles)guidata(hObject,handles);if(isempty(get(handles.edit1,'String'))||isempty(get(handles.edit2,'String'))||isempty(get(handles.edit3,'String')))msgbo*('pleaseinputtheParameteroftheLD','warning');elsen=str2num(get(handles.edit1,'String'));d=str2num(get(handles.edit2,'String'));t=str2num(get(handles.edit3,'String'));e=1.6*10^(-19);J=e*n*d*10^(-4)/(t*10^(-9));set(handles.edit5,'String',num2str(J));end;functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)input=str2num(get(hObject,'String'));if(isempty(input))set(hObject,'String','');endfunctionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,handles)guidata(hObject,handles);if(isempty(get(handles.edit9,'String'))||isempty(get(handles.edit10,'String'))||isempty(get(handles.edit11,'String')))msgbo*('pleaseinputtheParameteroftheLD','warning');elsep=str2num(get(handles.edit9,'String'));i=str2num(get(handles.edit10,'String'));v=str2num(get(handles.edit11,'String'));e=1.6*10^(-19);h=6.63*10^(-34);n=p*h*v/(i*e)if(n>=1)msgbo*('pleaseinputthecorrectParameteroftheLD','warning');set(handles.edit9,'String','');set(handles.edit10,'String','');set(handles.edit11,'String','');elseset(handles.edit6,'String',num2str(n));endend3.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析