应用物理光电综合设计-半导体中载流子浓度的计算分析.doc

光电综合设计 学院：理学院学院：理学院 专业：应用物理学专业：应用物理学 姓名：姓名： 学号：学号： 年月日年月日年月日年月日 目目 录录 一、课题一、课题 1：半导体中载流子浓度的计算分析：半导体中载流子浓度的计算分析 .1 1.1.课题任务要求及技术指标.1 1.2.课题分析及设计思路.1 1.3.系统设计（建模）.1 1.4.仿真结果与结果分析.3 二、课题二、课题 2：光电探测器光电流的计算：光电探测器光电流的计算 .6 2.1.课题任务要求及技术指标.6 2.2.课题分析及设计思路.6 2.3.系统设计（建模）.7 2.4.仿真结果与结果分析.8 三、课题三、课题 3：半导体激光器静态特性的计算：半导体激光器静态特性的计算 .10 3.1.课题任务要求及技术指标.10 3.2.课题分析及设计思路.10 3.3.系统设计（建模）.11 3.4.仿真结果与结果分析.12 四、课程设计小结四、课程设计小结 .16 1 一、课题1 1：半导体中载流子浓度的计算分析 1.1.1.1.课题任务要求及技术指标课题任务要求及技术指标 设计任务： 若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 314 10 cm 317 10 cm 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）的温度范围。 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，并进行分析。 1.2.1.2.课题分析及设计思路课题分析及设计思路 本题是已知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，并且在已知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，本题中锗中掺 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-exp(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-exp(116./T)*10(17)/10(15)./T.(1.5) 1.3.1.3.系统设计（建模）系统设计（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, ); if nargin 2 end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); end function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) global a; global b; 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); 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,double(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; end global 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); 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); end 1.4.1.4.仿真结果与结果分析仿真结果与结果分析 1.4.1.仿真结果： 图 1-1 4 图 1-2 图 1-3 5 图 1-4 1.4.2.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达到一个饱和状态，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。 6 二、课题2 2：光电探测器光电流的计算 2.1.2.1.课题任务要求及技术指标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 2.2.2.2.课题分析及设计思路课题分析及设计思路 该设计单元进行数值计算，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，内建电压 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，得出精确结果。 设计思路：T 不同，将影响本征载流子浓度以及内建电压的值，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 7 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。 2.3.2.3.系统设计（建模）系统设计（建模） gui_Singleton = 1; gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, wxy11_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, wxy11_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, ); if nargin end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); End function wxy11_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.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,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.*Nd)*104; A=str2num(get(handles.edit2,String); Gl=str2num(get(handles.edit9,String); I=e.*A.*10(-8).*Gl.*(W+Ln+Lp)*0.1 set(handles.edit10,String,num2str(I); 8 guidata(hObject, handles); end 2.4.2.4.仿真结果与结果分析仿真结果与结果分析 2.4.1.仿真结果： 图 2-1 图 2-2 2.4.2.结果分析： 9 (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 Ge Ln=4.4721um ， Lp=3.4641um ，W=0.67947um ， Vbi=0.3317V ，I=0.13785mA 选择 GeAs Ln=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别引起内建电压的较大不同， 由于耗尽层相比扩散区宽度很小，因此差别不大，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*1018cm-3,Nd=1018cm-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内建电压，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别，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别，但在实际应用的条件下，光生电流的差别非常小。 主要原因在于本征载流子浓度数量级上的差别反映到内建电场时已转化为系数差别，且通 常小于外加电压。 10 三、课题3 3：半导体激光器静态特性的计算 3.1.3.1.课题任务要求及技术指标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，考虑合适的间隔） ，给出结果。 参考：光电子学半导体激光器静态特性 3.2.3.2.课题分析及设计思路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： 其中第一部分是辐射因素，第二部分是非辐射因素，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： )()(thJthJJ nrrth lasth r lasth deFn den 3 eII hPP th thout d )( )( eI hp 11 其中 PoutPth 是输出光功率增益，IIth 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。 3.3.3.3.系统设计（建模）系统设计（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, ); if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); end function edit4_Callback(hObject, eventdata, handles) input = str2num(get(hObject,String); if (isempty(input) set(hObject,String,); end guidata(hObject, handles); input = str2num(get(hObject,String); if (isempty(input) set(hObject,String,); end function edit10_Callback(hObject, eventdata, handles) guidata(hObject, handles); if(isempty(get(handles.edit1,String)| isempty(get(handles.edit2,String) | isempty(get(handles.edit3,String) msgbox(please input the Parameter of the LD,warning); else n=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; function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) input = str2num(get(hObject,String); 12 if (isempty(input) set(hObject,String,); end function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles) guidata(hObject, handles); if(isempty(get(handles.edit9,String)| isempty(get(handles.edit10,String)| isempty(get(handles.edit11,String) ) msgbox(please input the Parameter of the LD,warning); else p=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); end end 3.4.3.4.仿真结果与结果分析仿真结果与结果分析 3.4.1.仿真结果： 13 图 3-1 图 3-2 14 图 3-3 图 3-4 3.4.2.结果分析： 15 单一改变自变量可以得到以下表格： 注入载流子浓度 （cm-3） 有源区宽度(um