南郵應(yīng)用物理光電綜合設(shè)計(jì)

1、光電綜合設(shè)計(jì)學(xué)院：理學(xué)院學(xué)院：理學(xué)院 專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)姓名：姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 年月日年月日年月日年月日目目 錄錄一、課題一、課題 1：半導(dǎo)體中載流子濃度的計(jì)算分析：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)（建模）.11.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析.3二、課題二、課題 2：光電探測(cè)器光電流的計(jì)算：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)（建模）.72.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析.8三、課題三、課題 3：半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性的計(jì)算：半導(dǎo)體激光器靜態(tài)

2、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)四、課程設(shè)計(jì)小結(jié) .161一、課題1 1：半導(dǎo)體中載流子濃度的計(jì)算分析1.1.1.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)：若鍺中含有一定數(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31410cm31710cm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9

3、0）的溫度范圍。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)行分析。1.2.1.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路課題分析及設(shè)計(jì)思路本題是已知摻雜一定數(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，并且在已知雜質(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，本題中鍺中摻 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-ex

4、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-exp(116./T)*10(17)/10(15)./T.(1.5)1.3.1.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, OpeningFcn, . gui_OutputFcn, OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback,

5、);if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);2end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)global a;global b; c1=solve(116/T=1.5*log(T)-2.3

6、);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); switch a case 1 if b=1 set(handles.text1,String,double(c1); elseif b=2; set(handles.text1,String,double(c3); elseif b=3; set(handles.text1,String,dou

7、ble(c5); end;case 2 if b=1 set(handles.text1,String,double(c2); elseif b=2; set(handles.text1,String,double(c4); elseif b=3; set(handles.text1,String,double(c6); end; endglobal a b;c3=solve(116/T=1.5*log(T);c4=solve(116/T=1.5*log(T)-6.9);if a=1 T=17.58:0.1:40; D=1-exp(116./T)*10(14)/10(15)./T.(15);

8、plot(T,D); xlabel(K); ylabel();3 title(10 14(cm*3); set(handles.text3,String,double(c3);else a=2 T=80:1:550; D=1-exp(116./T)*10(17)/10(15)./T.(15); plot(T,D); xlabel(K); ylabel(); title(10 17(cm*3); set(handles.text3,String,double(c4);end1.4.1.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析仿真結(jié)果與結(jié)果分析1.4.1.仿真結(jié)果：圖 1-14圖 1-2 圖 1-35圖 1-41.

9、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達(dá)到一個(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。6二、課題2 2：光電探測(cè)器光電流的計(jì)算2.1.2.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)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2.2.2.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路課題分析及設(shè)計(jì)思路該設(shè)計(jì)單元進(jìn)行數(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

10、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，內(nèi)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，得出精確結(jié)果。設(shè)計(jì)思路：T 不同，將影響本征載流子濃度以及內(nèi)建電壓的值，但為了簡(jiǎn)化問題，這里只計(jì)算溫度為

11、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7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。2.3.2.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, wxy11_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, wxy11_OutputFc

12、n, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);Endfunction wxy11_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)handle

13、s.output = hObject;guidata(hObject, handles);function varargout = wxy11_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout1 = handles.output;function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)VR=str2num(get(handles.edit1,String);Dn=str2num(get(handles.edit5,String);Dp=str2num(get(handles.edit6,

14、String);Tn=str2num(get(handles.edit7,String);Tp=str2num(get(handles.edit8,String);Ln=sqrt(Dn.*Tn)*104;Lp=sqrt(Dp.*Tp)*104;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.*N

15、d)*104;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);8guidata(hObject, handles);end2.4.2.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析仿真結(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：9(1)選擇 Si 及所有缺省值，得到 Ln=4.4721um ， Lp=3.4641um ，W=0.73324um ，

16、Vbi=0.71534V ，I=0.13871mA 選擇 Ge Ln=4.4721um ， Lp=3.4641um ，W=0.67947um ， Vbi=0.3317V ，I=0.13785mA 選擇 GeAs Ln=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別引起內(nèi)建電壓的較大不同，由于耗盡層相比擴(kuò)散區(qū)寬度很小，因此差別不大，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

17、,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*1018cm-3,Nd=1018cm-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內(nèi)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

18、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)上的差別，但在各種情況中相差很小，只有在摻雜很低的時(shí)候反映出一些差別，但在實(shí)際應(yīng)用的條件下，光生電流的差別非常小。主要原因在于本征載流子濃度數(shù)量級(jí)上的差別反映到內(nèi)建電場(chǎng)時(shí)已轉(zhuǎn)化為系數(shù)差別，且通常小于外加電壓。10三、課題3 3：半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性的計(jì)算3.1.3.1.課題任務(wù)要求及技術(shù)指標(biāo)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

19、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)，考慮合適的間隔） ，給出結(jié)果。參考：光電子學(xué)半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性3.2.3.2.課題分析及設(shè)計(jì)思路課題分析及設(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：其中第一部分是輻射因素，第二部分是非輻射因素，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

20、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：)()(thJthJJnrrthlasthrlasthdeFnden3eIIhPPththoutd)()(eIhp 11其中 PoutPth 是輸出光功率增益，IIth 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。3.3.3.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（建模）gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_

21、Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, OpeningFcn, . gui_OutputFcn, OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction edit4_Callback(hObject, eventdata, handles)input = str2num(get

22、(hObject,String);if (isempty(input) set(hObject,String,);endguidata(hObject, handles);input = str2num(get(hObject,String);if (isempty(input) set(hObject,String,);endfunction edit10_Callback(hObject, eventdata, handles)guidata(hObject, handles);if(isempty(get(handles.edit1,String)| isempty(get(handle

23、s.edit2,String) | isempty(get(handles.edit3,String) msgbox(please input the Parameter of the LD,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;func

24、tion pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)input = str2num(get(hObject,String);12if (isempty(input) set(hObject,String,);endfunction pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)guidata(hObject, handles);if(isempty(get(handles.edit9,String)| isempty(get(handles.edit10,String)| isempty

25、(get(handles.edit11,String) ) msgbox(please input the Parameter of the LD,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) msgbox(please input the correct Parameter of the LD,warning); set(handles.edit9,String,); set(handles.edit10,String,); set(handles.edit11,String,); else set(handles.edit6,String,num2str(n); endend3.4.3.4.仿真結(jié)果與結(jié)果分析仿真結(jié)果與結(jié)果分析3.4.1.仿真結(jié)果：13圖 3-1圖 3-214圖 3-3圖 3-43.4.2.結(jié)果分析：15單一改變自變量可以得到以下表格：注入