Курсовая работа (т): Розрахунок фотодіода з метою отримання бажаних параметрів вольтамперних характеристик

Цю залежність можна представити графічно.

Рис.8. Залежність густини струму насичення з сплавах германію від питомого опору і часу життя носіїв.

Вираз 36 виведено в припущенні, що впливом неосновних носіїв, які генеровані термічно в шарі просторового заряду переходу, можна знехтувати, з порівнянні з носіями, які генеровані випромінюванням.

Проте такі наближення можливі тільки в напівпровідниках з малою шириною забороненої зони (Іп Sb;Gе), тобто, коли рівноважні концентрації неосновних носіїв в обох областях великі. В напівпровідниках з великою шириною забороненої зони (Sі,Gа,Аs) необхідно врахувати вплив носіїв генерованих в шарі просторового заряду, яку можна визначити по формулі:

 (39)

Де δ - товщина області просторового заряду. Відношення густин струмів JG і JS

 (40)

Другим важливим параметром фотодіода, який залежить від фізичних параметрів напівпровідника є напруга пробою р-n-переходу і обмежує максимальну робочу напругу фотодіода. Величина напруги Um залежить від питомого опору матеріалу бази переходу.

Для сплавних переходів між напругою пробою і питомим опором встановлюється співвідношення (пробій Зінера)

=112.5р (41)

Для лавинного пробою

=bр2 (42)

А, Ь- залежать від типу провідності бази і є різними для різних напівпровідників.

.4 Розрахунок фотодіода з метою отримання бажаних параметрів вольтамперннх характеристик

Задача 1.Виготовлений германієвий фотодіод з п-р-переходом,освітлений паралельно пролшині переходу. Перехід отриманий методом вирощування, має в n - області питомий опір рn і час життя τh , а в рр - області рр і час життя електронів τe.

Переріз має товщину ω і ширину н.

Підрахувати чутливість фотодіода для випромінювання з довжиною хвилі λ темновий струм і відношення фотоструму до темнового струму при освітленні його потоком випромінювання Р в двох випадках:

А)коли довжина кожної області переходу рівна l1;

Б)коли довжина кожної області переходу рівна l2;

Задача 2. Визначити які розміри і фізичні параметрі повинен мати сплавний р-n- перехід в германії , щоб при освітленні переходу потоком випромінювання 100мВт/см2 з довжиною хвилі λ фотодіод дозволяв отримати фотострум ІФ>>1mА, темновий струм в області насичення ІT <=10тА і максимальна робоча напруга фотодіода Uт >=50В.

.5 Порядок розрахунку

. За кривими залежності дифузної довжини електронів і дірок в германії від їх часу життя визначити дифузну довжину Lе ,Lh (рис. 1. додатку)

. По кривій залежності коефіцієнта відбивання від довжини хвилі падаючого випромінювання для Gе знайти Rλ ,а по кривій залежності квантового виходу ηλ внутрішнього фотоефекту в Gе від довжини хвилі випромінювання (рис.2. додатку).

. Знайти відношення 1/Le і 1/Lh і скориставшись рис.5. обчислити Fр формулою 24 або 25.

. Знайти величину фотоструму Іф.

. Знайти величину темнового струму Іт за формулою 36, знайшовши рівноважну концентрацію неосновних носіїв рn , nр . За рис.З. /додатку/ визначити концентрацію основних носіїв nn, рр

.Знайти відношення Іф до ІT .

. По рис.4 /додатку/ визначимо напругу пробою і коефіцієнт запасу для даного питомого опору бази /див. задачу 1 /.

.По рис.8 знаходимо, що для германію з даним питомим опором і часом життя носіїв, густина струму насичення js

. Для того, щоб темновий струм не перевищував 10 мкА , площа переходу повинна задовільняти умову Аn≤ Іт/js

.Визначити інтегральну потужність випромінювання, що падає на перехід Аn за формулою Р=Р Аn

Якшо ідеальну чутливість германевого фотодіода прийняти С=0.54 А/Вт , то

ІФ=СР≤ 1мА.

Якщо умова не виконується, необхідно зменшити площу переходу.

.Безпосередньо визначити товщину бази за формулою 31 при даному коефіцієнті розділення неможливо, так як ωn входить у вираз 21 для L1.

Проте із рис.5 /додатку/ знаходимо, що високий коефіцієнт розділення можна отримати при товщині бази співмірній з дифузійною довжиною. Тому для τh , за графіком рис.1 /додатку/ знаходимо Lh і приймемо товщину бази ωn За формулою 31 провіримо, який коефіцієнт розділення для носіїв генерованих в базі. Для λ= 1.5 мкм за графіком рис.6 знайдемо коефіцієнт поглинання. Так як ωn>>1/λ то можемо не враховувати кількість носіїв, генерованих за площиною переходу.

Підставляючи отримані величини у формули 31 і 21, можемо переконатися, що в цьому випадку коефіцієнт розділення рівний

Для вибраної товщини бази і площі переходу при освітленні потоком р=0.1 Вт/см2 знайдемо фотострум, а також струм.

.6Графіки додатку

. Розвязок задач

Задача 1

Виготовлений германієвий фотодіод з n-р-переходом, освітлений паралельно площині переходу. Перехід отриманий методом вирощування, має в n-області питомий опір rn і час життя th, а в р-області rp і час життя електронів te.

Переріз має товщину w і ширину Н.

Підрахувати чутливість фотодіода для випромінювання з довжиною хвилі l, темновий струм і відношення фотоструму до темнового струму при освітленні його потоком випромінювання Р в двох випадках:

А) коли довжина кожної області переходу рівна l1;

Б) коли довжина кожної області переходу рівна l2;

Для розв’язку задачі виконуємо наступні пункти:

А)коли довжина кожної області переходу рівна l1:

За кривими залежності дифузної довжини електронів і дірок в германії від їх часу життя визначаю дифузну довжину:

τn=100мкс;=0,4∙10-3 м;

τp=20мкс;=0,65∙10-3м;

λ = 1мкм;

Rλ=0,45;

а по кривій залежності квантового виходу ηλ внутрішнього фотоефекту в Ge від довжини хвилі випромінювання:

λ = 1мкм;

ηλ=0.95.

Знайшовши відношення

l=0.8 мм, Ln=0,4∙10-3 м;Lp=0,65∙10-3м;

та скориставшись відповідним рисунком обчислимо Fp за формулою (24):

Знаючи Fp знаходжу величину фотоструму Iф :

ф=-2∙Fp∙P∙H∙l1=-2∙9,97∙10-2∙0,15∙5∙10-3∙0,8=-1,90∙10-8(A)

Знаходжу величину темнового струму Iт за формулою(36), знайшовши рівноважну концентрацію неосновних носіїв за рисунком додатку, концентрація основних носіїв рівна:

ρn = 16 Ом см;=7∙1019м-3;

ρp = 0,8 Ом см;=4∙1022 м-3;

за формулою:

,

де    

звідси (A)

Знайдемо відношення Iф до Iт:

Б) коли довжина кожної області переходу рівна l2:

За кривими залежності дифузної довжини електронів і дірок в германії від їх часу життя визначаю дифузну довжину, у даному випадку :

τn=100мкс;=0.4м;

τp=20мкс;=0.65м.

По кривій залежності коефіцієнта відбивання від дожини хвилі падаючого випромінювання для Ge знаходжу Rλ

λ = 1мкм;

Rλ=0.45;

а по кривій залежності квантового виходу ηλ внутрішнього фотоефекту в Ge від довжини хвилі випромінювання:

λ = 1мкм;

ηλ=0.95.

Оскільки у даному випадку l2>>L, можна прийняти cth≈1;cosech≈0 і рівняння (24) спроститься :

Знаючи Fp знаходжу величину фотоструму Iф :ф=-2∙Fp∙P∙H∙l2=-2∙2,28∙10-2∙0,15∙5∙10-3∙8=-3,31∙10-7(A)

.        Знайдемо відношення Iф до Iт:

Задача 2

Визначити, які розміри і фізичні параметрі повинен мати сплавний р-n-перехід в германії, щоб при освітленні переходу потоком випромінювання 100мВт/см2 з довжиною хвилі l фотодіод дозволяв отримати фотострум. Іф>>1мA, темновий струм в області насичення Іт£10мA і максимальна робоча напруга фотодіода Um³50B.

Розраховуючи другу задачу даної курсової роботи треба врахувати, що р-n-перехід освітлений перпендикулярно і такі параметри, як Le, Lh, Rl, hl, Dh, De, pn, nn, не змінюються, а максимальна чутливість Сl= 0,54 А/Вт. Тому для розрахунку Задачі 2 використаємо наступні пункти:

За графіком визначаємо

Визначаємо густину струму:

Визначаємо інтегральну потужність випромінювання:

Коефіцієнт розділення:

Висновок

фотодіод вольтамперний напівпровідник

У цій курсовій роботі розраховано основні параметри фотодіода з метою отримання бажаних параметрів вольт-амперних характеристик, чутливість фотодіода для випромінювання з довжиною хвилі l, темновий струм і відношення фотоструму до темнового струму, розміри і фізичні параметри фотодіода, який є одним з основних і базових приладів оптоелектроніки.

Я ознайомився з основними параметрами фотодіодів та їхніми вольт амперними характеристика, різними типами переходів при різних способах освітлення, навчився аналізувати залежності вольт амперних характеристик фотодіодів від фізичних параметрів напівпровідника