WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки: фототиристор - Курсова робота

Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки: фототиристор - Курсова робота

2.18

Тут щільність струмів неосновних носіїв заряду при освітленні і , як видно з рис.2.7, в рівні своїм значенням в рівновазі:

2.19

Щільності струмів основних носіїв заряду при освітленні і в результаті зниження потенційного бар'єру на збільшуються і стають рівними:

2.20

2.21

Об'єднуючи вирази (2.19 – 2.21), отримаємо:

2.22

Або 2.23

звідки маємо:

2.24

Рівняння (2.24) є рівнянням фотодіода для будь-якого режиму.

Для визначення вентильного фото-ЕРС , яка відповідає напрузі на затискачах розімкненого ланцюга, необхідно покласти . Тоді

2.25

Значення визначається числом надлишкових носіїв заряду, створених світлом і тих, що дійшли до переходу. Якщо через позначимо число фотонів, що падають кожної секунди на одиницю поверхні, через β - квантовий вихід, тобто кількість електронно-діркових пар, що виникають на один фотон, а через γ – долю непрокомбінованих пар носіїв заряду, що прийшли до переходу, то

2.26

Цей вираз справедливий для випадку, коли все світло, що падає на напівпровідник поглинається. Враховуючи (2.26) вираз (2.25) прийме вигляд:

2.27

При високому рівні освітлення, коли , маємо:

2.28

При низькому рівні збудження, коли , користуючись розкладанням в ряд, отримаємо

2.29

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 та , тобто доки не зникне потенційний бар'єр, що перешкоджає переходу носіїв заряду. Висота бар'ру представляє собою максимально досяжне значення . Тому вентильна фото-ЕРС залежить від ступеня легування, а, звідси, від положення рівня Фермі. Практично ця межа відповідає ширині забороненої зони [2].

2.4 Зовнішній фотоефект

На рис.2.10 представлена енергетична схема напівпровідника різного ступеня легування. Тут є енергія, яку має електрон, що вийшов з напівпровідника і має в вакуумі практично нульову кінетичну енергію. Енергія χ, що відділяє межу зони від провідності від рівня вакууму, є енергія електричного зростання. Величина Ф, дорівнює різниці енергій, відповідних рівню Фермі і рівню вакууму, є робота виходу.

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 . Межа зовнішнього фотоефекту є найменша енергія фотона, яка достатня, для того, щоб вивести електрон з напівпровідника.

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

2.30

Для непрямих переходів, коли збереження квазіімпульса забезпечується за рахунок емісії фонона з енергією ,

2.31

Для сильно легованого напівпровідника типу, у якого рівень Фермі лежить вище межі зони провідності на величину (рис.2.10, б) маємо

2.32

В сильно легованому напівпровіднику типу рівень Фермі розміщений на величину нижче межі валентної зони (рис.2.10, в)

2.33

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 описується залежністю

2.34

де і – константи, визначається механізмом розсіяння.

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 , а при присутності розсіяння . Для непрямого переходу електрона з валентної зони без розсіяння і з розсіянням [3].

III РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОТРАНЗИСТОРА НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ

Параметри 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; р0=1014 см-3;

I0=10-12 A; n0=1015 см-3;

Т= 300 К; q=1.61019 Кл

Діелектрична стала вираховується за формулами:

в області 3.1

в області 3.2

На межі гетеропереходів при х=0 повинна виконуватись умова безперервності нормальної складової електричної індукції:

3.3

φ1(х) і φ2(х), х=0 знаходимо

3.4

3.5

3.6

Повна контактна різниця потенціалів на межах гетеропереходів дорівнює співвідношенню:

3.7

Тепер знайдемо товщину об'ємного заряду:

Тепер розрахуємо товщину об'ємного заряду:

Вольт-амперна характеристика фототранзистора:

3.8

При , – зворотне зміщення.

При , – пряме зміщення.

I, A

0

100

200

300

400

U, B

0

3,86E-09

7,73E-09

1,16E-08

1,55E-08

Виходячи з отриманих результатів будуємо ВАХ

Рисунок 3.1 – Вольт-амперна характеристика фототранзистора

ВИСНОВКИ

Основною 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.

Loading...

 
 

Цікаве