南邮应用物理光电综合设计

.z..--可修编-光电综合设计学院：理学院专业：应用物理学：**：年月日～年月日目录一、课题1：半导体中载流子浓度的计算分析11.1.课题任务要求及技术指标11.2.课题分析及设计思路11.3.系统设计〔建模〕11.4.仿真结果与结果分析3二、课题2：光电探测器光电流的计算62.1.课题任务要求及技术指标62.2.课题分析及设计思路62.3.系统设计〔建模〕72.4.仿真结果与结果分析8三、课题3：半导体激光器静态特性的计算103.1.课题任务要求及技术指标103.2.课题分析及设计思路103.3.系统设计〔建模〕113.4.仿真结果与结果分析12四、课程设计小结16-.z..--可修编-一、课题1：半导体中载流子浓度的计算分析1.1.课题任务要求及技术指标设计任务：假设锗中含有一定数量的杂质元素Sb，试根据要求分析杂质浓度与电离度以及电离温度之间的关系：〔1〕当Sb浓度分别为和时，计算杂质99％，90％和50％电离时的温度各为多少？〔2〕根据一定杂质类型和杂质浓度，画出电离度和温度的关系图线，并确定半导体处于强电离区〔电离度>90％〕的温度围。设计要求：〔1〕具有友好输入输出界面；〔2〕调整输入数据，得出相应结果，并进展分析。1.2.课题分析及设计思路此题是掺杂一定数量杂质的半导体，分析其杂质浓度、电离度及电离温度之间的关系，并且在杂质浓度的条件下根据电离度计算温度。由固体电子导论中载流子浓度的知识，随着温度升高，电离程度加大，载流子浓度也增加，但温度进一步升高后，杂质全部电离，此时以本征激发为主，载流子浓度迅速增加，此题中锗中掺Sb时，形成n型半导体，任务是要作出一定掺杂浓度下电离度和温度的关系曲线，计算公式如下：浓度为1014时电离度与温度的关系式为：D=1-e*p(116./T)*10^(14)/10^(15)./T.^(1.5)浓度为1017时电离度与温度的关系式为：D=1-e*p(116./T)*10^(17)/10^(15)./T.^(1.5)1.3.系统设计〔建模〕gui_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('¿ªÊÏζÈK');ylabel('µçÀë¶È');title('Ũ¶ÈΪ10^14(cm*3)ʱµçÀë¶ÈºÍζȵĹØϵͼÏß');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('¿ªÊÏζÈK');ylabel('µçÀë¶È');title('Ũ¶ÈΪ10^17(cm*3)ʱµçÀë¶ÈºÍζȵĹØϵͼÏß');set(handles.te*t3,'String',double(c4));end1.4.仿真结果与结果分析1.4.1.仿真结果：图1-1图1-2图1-3图1-41.4.2.结果分析：由实验结果不难看出，随温度升高载流子浓度逐渐增大至到达一个饱和状态，即前面所说的高温本征激发，此时载流子浓度不变化，电离度也是逐渐增大至一稳定水平。二、课题2：光电探测器光电流的计算2.1.课题任务要求及技术指标设计任务：计算光电探测器的光电流。设计要求：〔1〕具有友好输入输出界面；〔2〕参量可任意输入；〔3〕模拟输入一组数据〔数据值应与实际相当〕，给出结果。参考："光电子学"光电探测器2.2.课题分析及设计思路该设计单元进展数值计算，不涉及图象，故可编辑相应数量的输入框以及相应数量的输出框即可。光电探测器光电流的计算涉及11个变量，分别为：二极管横截面积A，P区掺杂浓度Na，N区掺杂浓度Nd，电子扩散系数Dn,空穴扩散系数Dp，少数电子载流子寿命n，少数空穴载流子寿命p，电子空穴对光产生率GL，反向偏压V，温度T，p-n结基质，影响本征载流子浓度。计算中得出四个中间结果，为：电子扩散长度Ln，空穴扩散长度Lp，建电压Vbi,耗尽层宽度W。最终结果：光电流I。其中有判断过程，当计算出的Ln和Lp与W相比很小时可将光电流作为瞬时电流，在此不作判断，得出准确结果。设计思路：T不同，将影响本征载流子浓度以及建电压的值，但为了简化问题，这里只计算温度为300K时的情况，即常温下的情况。考虑到不同基质将有不同的本征载流子浓度，而GaAs也是重要的探测器物质，因此设计单元选择不同物质来获得相应的载流子浓度，给出Si,Ge.GaAs三种常见基质。并给每个输入变量设定相应的缺省值。2.3.系统设计〔建模〕gui_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.仿真结果与结果分析2.4.1.仿真结果：图2-1图2-22.4.2.结果分析：(1)选择Si及所有缺省值，得到Ln=4.4721um

，

Lp=3.4641um

，W=0.73324um

，

Vbi=0.71534V

，I=0.13871mA

选择GeLn=4.4721um

，

Lp=3.4641um

，W=0.67947um

，

Vbi=0.3317V

，I=0.13785mA

选择GeAsLn=4.4721um

，Lp=3.4641um

，W=0.78227um

，

Vbi=1.0907V

，I=0.1395mA

可以看到，在这组条件的情况下，虽然本征载流子浓度差异引起建电压的较大不同，由于耗尽层相比扩散区宽度很小，因此差异不大，且光电流很小。(2)缩短载流子寿命，令其为0.1ns;得到三个长度(Si)：Ln=0.44721um,Lp=0.34641um,W=0.73324um,已经在同一数量级上,但由于未增大W，光电流减小。(3)增大掺杂浓度：令Na=2*10^18cm-3,Nd=10^18cm^-3

:结果(Si)Ln=4.4721um,Lp=3.4641um,W=0.076489um

,Vbi=0.95481V

,I=0.1282mA

。可以看到，增大浓度虽然增加了建电压，但会很大幅度的减小耗尽层宽度，相应的会减小光电流。(4)增大反向偏压，Si的情况下，令V=4V，其他条件不变,W=0.96625um,I=0.14244mA，因此增大偏压可以增加一定的光电流，但并不十分显著。(5)很明显，加大截面积A和提高产生率G将直接增大光电流，每提高一个数量级都将直接提高光电流一个数量级,是最有效的提高光电流的方法。(6)扩散系数一般为较固定的值，因此模拟中就尽量保持其不变，同时通过不同情况下的模拟发现，不同基质虽然具有本征浓度几个数量级上的差异，但在各种情况中相差很小，只有在掺杂很低的时候反映出一些差异，但在实际应用的条件下，光生电流的差异非常小。主要原因在于本征载流子浓度数量级上的差异反映到建电场时已转化为系数差异，且通常小于外加电压。三、课题3：半导体激光器静态特性的计算3.1.课题任务要求及技术指标设计任务：仿照"光电子学"课本，用线性拟合方法求半导体激光器的阈值电流密度、微分量子效率。设计要求：〔1〕具有友好输入输出界面；〔2〕参量可任意输入；〔3〕模拟输入一组数据〔数据值应与实验相当，考虑适宜的间隔〕，给出结果。参考："光电子学"半导体激光器静态特性3.2.课题分析及设计思路半导体激光器中阈值电流密度计算方法是：其中第一局部是辐射因素，第二局部是非辐射因素，一般为俄歇辐射影响。本实验中忽略非辐射复合影响，则计算公式可简化为J=e*n*d*10^(-4)/(t*10^(-9));从公式中看出，阈值电流密度主要受有源区宽度、载流子浓度和辐射复合时间决定，用Matlab工具建立模型，以这三个量为自变量，通过得出的阈值电流密度的变化可以较为直观地感受到这三个变量的影响程度。微分量子效率可以通过如下公式计算：其中Pout－Pth是输出光功率增益，I－Ith是输入电流增益，v是光子频率，h普朗克常数、e电子电量为常数。所以在用Matlab建立模型时设定前三者为变量，影响微分量子效率大小。同样的，输入几组数据并观察结果。3.3.系统设计〔建模〕gui_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.仿真结果与结果分析