РГР оптоэлектроника. РГР. Задача 1 3 Решение 3 Задача 2 7 Задача 3 8 Вариант 8 Тип фотодиод 8 Sинтр,АВт 8 Up,В 8 Iт,мкА 8
 Скачать 80.78 Kb.
|
|
Расчётно-графическая работа по дисциплине: Оптоэлектроника и нанофотоника«Разработка оптоэлектронных устройств» Вариант №2 ОглавлениеОптоэлектроника и нанофотоника 1 Задача № 1 3 Решение: 3 Задача № 2 7 Задача № 3 8 Вариант 8 Тип фотодиод 8 Sинтр,А/Вт 8 Up,В 8 Iт,мкА 8 S,мм2 8 λmin, мкм 8 λmax,мкм 8 λ, мкм 8 τ,мкс 8 2 8 ФДУК 100УBZr/Sic 8 0,4 8 0 8 0,1 8 10 8 0,021 8 1,1 8 - 8 0,05 8 8 Список литературы 11 Задача № 1Изобразить структуру фотоприемника. Изобразить ВАХ фотоприемника. Дать определение основным параметрам. Пояснить принцип работы фотоприемника. Привести примеры устройств использующих, рассматриваемый Вами фотоприемник. Таблица 1. Вариант и тип фотоприемников
Решение: Работа некоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрического эффекта – явления взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В твердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты. В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов из вещества. Во втором – электроны, оставаясь в веществе, переходят из заполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного и дырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняя непосредственное преобразование электромагнитного излучения в энергию электрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах. Наиболее ярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах как селен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия, кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоприёмники. В качестве фотоприёмника могут использоваться фотодиоды ФД. ФД бывают: p-i-n фотодиод, фотодиод Шоттки, лавинный фотодиод, фотодиод с гетероструктурой. ФД может работать в гальваническом и фотодиодном режимам. Рассмотрим лавинный ФД. Фотодиод Фотодиодом называют фотоприемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода.  Рисунок 1. Фотодиод с p-i-n структурой. В p-i-n структуре i-область заключена между двумя областями противоположного типа электропроводимости и имеет удельное сопротивление, в 106-107 раз большее, чем сопротивление легированных областей n- и p-типов. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i- область. Поскольку эта область может быть сделана достаточно широкой, такая структура создает основу для получения быстродействующего и чувствительного приемника. Фотоносители диффундируют в глубь n-области. Ширина n-области такова, что основная доля созданных излучением фотоносителей не успевает рекомбинировать в n-области и достигает i-области, где быстро разделяются электрическим полем. Это приводит к снижению внутреннего потенциального барьера в фотодиоде. Дрейфовый поток фотоносителей образует фототок. Возникает разность потенциалов – фотоЭДС. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в p-i-n структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. Таким образом, фотодиоды с p-i-n структурой имеют следующие основные достоинства: Сочетание высокой чувствительности и высокого быстродействия. Возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении i-области. Малая барьерная емкость. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость p-i-n фотодиодов с интегральными микросхемами. К недостаткам p-i-n структуры следует отнести требование высокой чистоты i-базы и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных микросхем.  Рисунок 2. ВАХ фотодиода. Д – область: прямая ветвь ВАХ, нерабочая область для фотодиода, здесь к p-i-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок. Фотоуправление током через диод становится невозможным. С – область соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. В – область: к фотодиоду прикладывается обратное напряжение, в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки, таким образом фотодиод является источником тока для внешней цепи. А – область соответствует тепловому пробою фотодиода, получаем лавинный фотодиод. Основные параметры фотодиода: Uр – рабочее напряжение фотодиода (постоянное напряжение, приложенное к прибору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях). Sинт – интегральная чувствительность фотодиода (чувствительность прибора к излучению заданного спектрального состава). SI – чувствительность к световому потоку. SE – чувствительность к освещенности.  - максимум спектральной характеристики фотодиода (длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики прибора).Iт – темповый ток фотодиода (ток, протекающий через прибор при указанном на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности). Fmax – предельная частота модуляции (частота синусоидально-модулированного света, на которой чувствительность уменьшается в  раз относительно чувствительности немодулированного излучения).Iф – фототок фотодиода (ток, протекающий через фотоприемник при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением). Задача № 2Определить длинноволновую границу фотоэффекта 𝜆гр и фоточувствительность приемника. Изобразить вид спектральной характеристики фотоприемника и указать на ней 𝜆гр. Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 2. Таблица 2. Варианты и данные фотоприемников
Решение: Работа фотоприемников основана на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носители заряда атомов либо решетки, либо примеси. Поскольку требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу 𝜆гр:  Фоточувствительность Sф (квантовая эффективность  ):  Спектральная характеристика фотоприемника на основе кремния показана на рисунке 3.  Рисунок 3. Спектральная характеристика фотоприемника на основе кремния. Задача № 3Произвести расчет параметров качества устройства (согласно варианта). 3.1 Типы устройств приведены в таблице 3. 3.2 Записать количественные характеристики выбранного устройства в таблицу 4. 3.2 Присвоить весовой коэффициент (весовые коэффициенты задаются самостоятельно студентом). Внести значения весового коэффициента в соответствующий столбец таблицы 4. 3.3 Произвести расчет коэффициентов качества и занести значения в таблицу 5. 3.4 «Весовой коэффициент» студент вносит значение согласно следующему распределению: - важнейший параметр: 1 - параметр, от выбора которого зависит работоспособность анализируемого устройства: 0,5 – 0,9 - второстепенный параметр: 0,2 – 0,4 - можно не учитывать: 0 – 0,1 Таблица 3. Исходные данные
Решение: Таблица 4. Присвоение весовых коэффициентов
Расчет коэффициентов качества 1. Абсолютный коэффициент качества Ка   m – количество параметров; Qj – весовой коэффициент отдельного параметра; Кj - коэффициент качества отдельного параметра (принять равным 0,9). 2. Нормированный коэффициент качества Кн   3. Определение степени приближения к оптимальному решению (коэффициент неопределенности Кпр)   4. Расчет коэффициента неопределенности Кно   mi – число неопределенных параметров (число отсутствующих в таблице значений) Таблица 5. Рассчитанные значения коэффициентов
Список литературы1. Игнатов А.Н. Устройства и системы оптической связи: Учебное пособие. - Новосибирск: СибГУТИ, 2013. 2. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы на тему «Разработка оптоэлектронных устройств». – Новосибирск, 2021. 3. Приемники и детекторы излучений [Электронный ресурс] https://www.quartz1.com/price/techdata/Priemniki_i_detektory_izluchenij_2012.pdf (Дата обращения 15.05.2021). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
