Курсовая работа: Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки фототиристор
Название: Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки фототиристор Раздел: Рефераты по коммуникации и связи Тип: курсовая работа | ||||||||||||
Міністерство освіти і науки України Запорізька державна інженерна академія Факультет електроніка та електронних технологій Кафедра фізичної та біомедичної електроніки Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни: «Твердотіла електроніка» на тему: «Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки: фототиристор» Запоріжжя, 2009 РЕФЕРАТ Курсова робота містить 27 стор., 14 рис., 12 використаних джерел, 2 плакати. Ціль роботи: Розглянути, що таке фототиристор, за яким принципом працює фототиристор, що таке фотоефект. Провести розрахунки фототранзистор. Задачі роботи: - розглянути загальні відомості про фототиристори; - розрахувати лінійну залежність токів в фотоелементах; розглянути конструкції різних видів фототранзисторів їх характеристики, та параметри принципи дії; - розрахувати параметри та характеристики фототранзистора на гетеропереходах. ОПТОЕЛЕКТРОНІКА, ТРАНЗИСТОР, ФОТОТРАНЗИСТОР, ФОТОТИРИСТОР, ФОТОЕФЕКТ, КОЛЕКТОР, БАЗА, еМІТЕР, ІНЖЕКЦІЯ, рекомбінація, Р-N-ПЕРЕХІД, ГЕТЕРОПЕРЕХІД ЗМІСТ ВСТУП I Фототиристор 1.1 Загальні відомості 1.2 Принцип дії фототиристора II Фотоефект 2.1 Внутрішній фотоефект 2.2 Фотопровідність 2.3 Фотоефект в 2.4 Зовнішній фотоефект III Розрахунок параметрів і характеристик фототранзистора на гетеропереходахВисновок Використана література ВСТУП Оптоелектроніка є одним з найактуальніших напрямків сучасної електроніки. Оптоелектронні прилади характеризуються виключно функціональною широтою, вони успішно використовуються у всіх галузях інформаційних систем для генерації, перетворення, передачі, зберігання та відображення інформації. При створенні оптоелектронних приладів використовується багато нових фізичних явищ, синтезуються унікальні матеріали, розробляються над прецизійні технології. Оптоелектроніка досягає стадії промислової зрілості, але це тільки перший етап, бо перспективи розвитку багатьох її напрямків практично безмежні. Нові напрямки частіше за все виникають як наслідок та інтеграція ряду вже відомих досліджень оптоелектроніки і традиційної мікроелектроніки: такими є інтегральна оптика та волоконно-оптичні лінії зв’язку; оптичні запам’ятовуючі пристрої, що спираються на лазерну технологію та голографію; оптичні транспаранти засновані на фотоелектрониці та нелінійній оптиці; плоскі без вакуумні засоби відображення інформації та ін. Оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три відмітні риси: 1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи та засоби, для яких принципові сполучення і нерозривність оптичних та електронних процесів. 2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважний розвиток твердотілих площинних конструкцій; інтеграція елементів та функцій; використання спеціальних матеріалів і методів прецизійної групової обробки. 3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає в рішенні задач інформатики: генерації (формуванні) інформації шляхом перетворення зовнішніх впливів в відповідні електричні та оптичні сигнали; передачі інформації; перетворенні інформації [1]. I . ФОТОТИРИСТОР
1.1 Загальні відомості В основі принципу дії фото тиристора лежить явище генерації носіїв заряду в напівпровіднику, точніше в Фототиристор – оптоелектронний пристрій, що має структуру, схожу із структурою звичайного тиристора та відрізняється від останнього тим, що вмикається на напругою, а світлом, що освітлює затвор. При освітленні фототиристора в напівпровіднику генеруються носії заряду обох знаків (електрони та дірки), що приводить до збільшення потоку через тиристор на величину фотоструму. Фототиристор має чотиришарову 1.2 Принцип дії фототиристора Якщо до аноду прикладена позитивна напруга (по відношенню до катода), то в темному режимі граничні переходи будуть зміщені в прямому, а середній перехід – в зворотному напрямку, і фототиристор буде знаходитись в закритому стані. При освітлені переходу в тонкій базі відбувається генерація пар електрон-дірка. Електрони з поверхні дифундують в глибину діркового шару і вільно проходять через середній перехід к аноду. При певній інтенсивності випромінювання, що відповідає світловій потужності Основне досягнення фототиристорів – здатність переключати значні струми і напруги слабкими світловими сигналами – використовується в пристроях «силової» оптоелектроніки, таких, як системи управління виконавчими механізмами, випрямлячами ті перетворювачами. Цей пристрій використовується в керованих світлом випрямлячах та найбільш ефективний в управлінні сильними струмами при високих напругах. Швидкість відповіді на світло – менше 1 мкс. Фототиристори зазвичай виготовляють з кремнію, спектральна характеристика така ж як і в інших світлочутливих елементів з кремнію. Як і фототранзистори, фототиристори часто використовуються спільно з подібними за характеристиками випромінювачами, у вигляді оптопар. II ФОТОЕФЕКТ
2.1 Внутрішній фотоефект
Зміна електричного опору напівпровідника під дією випромінення називається фоторезистивним ефектом. Додаткова провідність, обумовлена носіями заряду,що створені оптичною генерацією, носить назву фотопровідності. При внутрішньому фотоефекті первинним актом є поглинання фотону. Тому процес створення вільних носіїв заряду буде відбуватися по-різному залежно від особливостей процесу поглинання світла напівпровідником. При межзонних переходах має місце власна фотопровідність (перехід 1, рис.2.1). Для напівпровідників з прямими зонами при вертикальних переходах енергія фотона
Рисунок 2.1 – Схема можливих оптичних переходів, що обумовлюють фотопровідність У випадку непрямих переходів, коли збереження квазіімпульсу забезпечується за рахунок випромінення фотона з енергією
Для сильно легованого напівпровідника
в сильно легованому напівпровіднику
Власна полоса поглинання, що завжди має яскраво виражену довгохвильову межу, в принципі може мати і короткохвильову. Однак в багатьох напівпровідників зона провідності перекривається дозволеними зонами, створюючи суцільну зону. Тому спектральний розподіл фоточутливості в залежності від енергії фотонів або довжини хвилі світла повинно простягатися далеко в короткохвильову область. Але із збільшенням енергії фотонів збільшується коефіцієнт власного поглинання, а отже, буде мати місце і збільшення фотопровідності. Рисунок 2.2 – Спектральний розподіл фотоструму деяких напівпровідників в області власного поглинання Якщо квантова ефективність залишається постійною, то при великих енергіях область поглинання, а отже, область генерації фотоносіїв розміщується поблизу поверхні напівпровідника. В при поверхневій області напівпровідника час життя носіїв заряду менше, ніж в об’ємі зразку. Зміна часу життя не рівноважних носіїв заряду приведе до зменшення фотопровідності в області коротких довжин хвиль (рис. 2.2). При наявності в забороненій зоні напівпровідника локальних рівнів оптичне поглинання може викликати переходи електронів між рівнями домішки і енергетичними зонами (перехід 2 і 3, рис. 2.1). В цьому випадку фотопровідність називають домішковою фотопровідністю. Оскільки енергія іонізації домішки При екситонному поглинанні світла має місце створення пов’язаної пари електрон-дірка, яка є електрично нейтральним утворенням. Тому екситонне поглинання спочатку не веде до виникнення вільних носіїв заряду. Однак в реальних кристалічних структурах екситони не можуть дисоціювати при взаємодії з фононами, домішковими центрами і дефектами решітки. Рисунок 2.3 – Спектр фотоструму германію, легованого міддю та цинком Таким чином, утворення екситонів в результаті веде до виникнення вільних носіїв заряду, а від так, фотоструму. При цьому спектр фотоструму в області екситонного поглинання буде залежати як від стану поверхні, так і від співвідношення дифузійної довжини екситонів Рисунок 2.4 – Спектри відображення (крива 3) та фотоструму монокристала окису цинку до (крива 2) та після травлення (крива 1) Стан поверхні напівпровідника можна легко змінити шляхом різних впливів на неї (механічне, хімічне і таке інше). Таким чином можна змінити характер спектру фотоструму, обумовленого екситонним поглинанням. Для прикладу на рис.2.4 представлені спектри фотоструму монокристала ZnO. Положення максимумів екситонних смуг поглинання А, В і С (вказано стрілками) визначено із спектру відображення (крива 3). Видно, що максимуми смуг екситонного поглинання відповідають мінімумам на кривій фотоструму (крива 2). Травлення поверхні такого кристалу призводить до випадку, коли максимумам поглинання відповідають максимуми фотоструму (крива 1). Поглинання світла вільними носіями заряду та коливаннями решітки безпосередньо не можуть призвести до змін концентрації носіїв заряду. Однак зростання концентрації носіїв заряду в цих випадках може виникати в результаті вторинних ефектів, коли поглинання світла значно збільшує кінетичну енергію вільних носіїв заряду, які потім віддають свою енергію на збудження носіїв заряду.
2.2 Фотопровідність
Надлишкові електрони
Так як, темнова провідність
то фотопровідність напівпровідника, обумовлена безпосередньою дією випромінення, є
Природно, що концентрації надлишкових носіїв заряду
Тому, при поглинанні квантів світла енергії
Тут коефіцієнт пропорційності Однак відразу після початку освітлення фотопровідність напівпровідника не досягає максимального значення, бо по мірі збільшення концентрації нерівноважних носіїв заряду нарощується процес рекомбінації. Оскільки швидкість генерації нерівноважних носіїв залишається сталою при незмінній інтенсивності світла, то через якийсь проміжок часу інтенсивність рекомбінації досягне інтенсивності генерації і встановиться стаціонарний стан, що характеризується постійним значенням заряду Рисунок 2.5 – Зміна за часом концентрації носіїв заряду, збуджених світлом Стаціонарні концентрації надлишкових носіїв заряду можна визначити,якщо використати рівняння безперервності, в якому генераційний член записаний у вигляді (2.8) в припущенні однорідної генерації. Тому
а стаціонарна фотопровідність дорівнює:
Відношення фотопровідності
Якщо один з членів в лапках співвідношення (2.11) значно більше іншого (за рахунок різниці в значеннях рухливості або часу життя електронів і дірок), то фотопровідність визначається носіями заряду одного знаку і її називають монополярною. В цьому випадку
Рисунок 2.6 – Залежність квантового виходу (число збуджених електронів на один поглинутий фотон) від енергії фотона в германії Т=300 К (а) і кремнії (б) Вираз для стаціонарного значення щільності фотоструму буде мати вигляд:
Якщо величини, що входять до виразу (2.14) відомі, то, вимірюючи 2.3 Фотоефект в
В Рисунок 2.7 – Енергетична схема При термодинамічній рівновазі положення рівня Фермі у всій системі постійно і енергетична система
В цьому рівнянні кожна пара струмів електронів і дірок дорівнює нулю
так як кількість перехідних носіїв заряду в прямому та зворотному струмах напрямках при термодинамічній рівновазі рівні. Але потоки неосновних носіїв заряду – електронів із
Розглянемо Стаціонарний стан встановиться тоді, коли число створюваних світлом електронно-діркових пар зрівняється з числом носіїв заряду, що ідуть через знижений потенційний бар’єр
Тут щільність струмів неосновних носіїв заряду при освітленні
Щільності струмів основних носіїв заряду при освітленні
Об’єднуючи вирази (2.19 – 2.21), отримаємо:
Або звідки маємо:
Рівняння (2.24) є рівнянням фотодіода для будь-якого режиму. Для визначення вентильного фото-ЕРС
Значення
Цей вираз справедливий для випадку, коли все світло, що падає на напівпровідник поглинається. Враховуючи (2.26) вираз (2.25) прийме вигляд:
При високому рівні освітлення, коли
При низькому рівні збудження, коли
тобто вентильна фото-ЕРС при низькому рівні збудження пропорційна інтенсивності світла. Отримані залежності вентильної фото-ЕРС від інтенсивності збуджуючого світла достатньо добре узгоджуються з експериментальними даними, як це видно з рис.2.8 та 2.9, на яких проведені вольт-амперна та люкс-амперна характеристики для германієвого фотодіода в вентильному режимі. З рис.2.8 виходить, що малим струмам відповідає граничне для даного освітлення значення фото-ЕРС. Рисунок 2.8 – Вольт-амперна характеристика в вентильному режимі фотодіода Рисунок 2.9 – Люкс-амперна характеристика в вентильному режимі германієвого фотодіоду Із формули 2.28 видно, що при збільшенні інтенсивності світла фото-ЕРС зростає до тих пір, доки не зрівняються щільності струмів 2.4 Зовнішній фотоефект На рис.2.10 представлена енергетична схема напівпровідника різного ступеня легування. Тут Розглянемо взаємодію між фотоном та напівпровідником, в результаті якого відбувається емісія електрона з напівпровідника. Процес емісії електронів з напівпровідника під дією випромінювання називають зовнішнім фотоефектом. Зовнішній фотоефект представляє собою послідовність трьох процесів (рис.2.10): 1) електрон валентної зони напівпровідника переходить в високий енергетичний стан зони провідності в результаті взаємодії з фотоном; 2) збуджений електрон в результаті розсіювання втрачає частину енергії і переходить на нижчий рівень зони провідності; 3) електрон виходить з нижнього рівня зони провідності напівпровідника в вакуум з енергією, що дорівнює різниці його повної енергії та Рисунок 2.10 – Залежність зовнішнього фотоефекту від ступеня легування напівпровідника Рисунок 2.11 – Збудження, розсіяння та вихід електронів з напівпровідника У власного або виродженого напівпровідника, коли рівень Фермі знаходиться в забороненій зоні (рис.2.10, а), емісія електронів під дією світла відбувається із валентної зони. Тому
Для непрямих переходів, коли збереження квазіімпульса забезпечується за рахунок емісії фонона з енергією
Для сильно легованого напівпровідника
В сильно легованому напівпровіднику
Типова крива залежності квантового виходу фотоелектронів від енергії фотонів приведена на рис.2.12. Спочатку по мірі збільшення енергії фотонів, що перевищує порогові значення, число емітованих електронів зростає. Потім він переходить в плато, на якому є структура, що відображає властивості зонної структури напівпровідника. Початкова ділянка різкого зростання кривої квантового виходу
де
Рисунок 2.12 – Спектральне розподілення квантового виходу електронів з CdTe. Поріг фотоефекту дорівнює приблизно 5 еВ В випадку прямого переходу електрона з валентної зони без розсіяння III РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТ РІВ І ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОТРАНЗИСТОРА НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХПараметри фото транзистора на гетеропереходах: - ВАХ фототранзистора; - Енергетичні характеристики; - Спектральні характеристики; - Пороговий потік Фn ; - Виявляюча властивість Д; - Коефіцієнт посилення на фотострумах - Вольтова чутливість - Тонова чутливість; - Струмова чутливість з загальним емітером Вихідні данні: х1 (GaAs) = 4,53 eB; х1 (Ge) = 4,66 eB φ0 =0,15 eB; р 0 =1014 см-3 ; I 0 =10-12 A; n 0 =1015 см-3 ; Т= 300 К; q=1.6·1019 Кл Діелектрична стала вираховується за формулами: в в На межі гетеропереходів при х=0 повинна виконуватись умова безперервності нормальної складової електричної індукції:
φ1 (х) і φ2 (х), х=0 знаходимо
Повна контактна різниця потенціалів на межах гетеропереходів дорівнює співвідношенню:
Тепер знайдемо товщину об’ємного заряду: Тепер розрахуємо товщину об’ємного заряду: Вольт-амперна характеристика фототранзистора:
При При
Виходячи з отриманих результатів будуємо ВАХ Рисунок 3.1 – Вольт-амперна характеристика фототранзистора ВИСНОВКИОсновною позитивною якістю фототиристорів – здатність переключати значні струми і напруги слабкими світловими сигналами – використовується в пристроях «силової» оптоелектроніки, таких, як системи управління виконавчими механізмами, випрямлячами ті перетворювачами. Недоліком фототиристорів є велика інерційність, що обмежує їх використання в якості швидкодіючих вимикачів. Цей пристрій використовується в керованих світлом випрямлячах та найбільш ефективний в управлінні сильними струмами при високих напругах. ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Смірнов А.Г Квантова електроніка і оптоелектроніка. Мінськ. 1987р. – 196стр. 2. Фістуль В.І. Ведення в фізику напівпровідників. Москва. 1984р. – 352стр. 3. Шалімова К.В. Фізика напівпровідників. Москва. 1985р. – 392стр. 4. Пасинков В.В., Чирків Л.К. Напівпровідникові прилади. Москва. 1987р. – 480стр. 5. Мартинов В.Н., Кольцов Г.І. Напівпровідникова оптоелектроніка. Москва. 1999р. – 400стр. 6. Коган Л.М. Напівпровідникові світло-випромінюючі діоди. Москва. 1983р. – 208стр. 7. Уерт Ч., Томсон Р. Фізика твердого тіла. Москва. 1972р. – 558стр. 8. Пикус Г.Е. Основи теорії напівпровідникових приладів. Москва. 1965р. – 153стр. 9. Бьюб Р. Фотопровідність твердих тіл. Москва. 1962р. – 558стр. 10. Маслов А.А. Електронні напівпровідникові прилади. Москва. 1967р. – 398стр. 11. ГромовВ.С., Зайцев Ю.В. Напівпровідникові термоелектричні перетворювачі. Москва. 1985р. – 120стр. 12. Ривкін С.М. Фотоелектричні явища в напівпровідниках. Москва. 1963р. – 220стр. |