1、光電綜合設計學院：理學院學院：理學院 專業：應用物理學專業：應用物理學姓名：姓名：學號：學號： 年月日年月日年月日年月日目目 錄錄一、課題一、課題 1：半導體中載流子濃度的計算分析：半導體中載流子濃度的計算分析 .11.1.課題任務要求及技術指標.11.2.課題分析及設計思路.11.3.系統設計（建模）.11.4.仿真結果與結果分析.3二、課題二、課題 2：光電探測器光電流的計算：光電探測器光電流的計算 .62.1.課題任務要求及技術指標.62.2.課題分析及設計思路.62.3.系統設計（建模）.72.4.仿真結果與結果分析.8三、課題三、課題 3：半導體激光器靜態特性的計算：半導體激光器靜態

2、特性的計算 .103.1.課題任務要求及技術指標.103.2.課題分析及設計思路.103.3.系統設計（建模）.113.4.仿真結果與結果分析.12四、課程設計小結四、課程設計小結 .161一、課題1 1：半導體中載流子濃度的計算分析1.1.1.1.課題任務要求及技術指標課題任務要求及技術指標設計任務：若鍺中含有一定數量的雜質元素 Sb，試根據要求分析雜質濃度與電離度以及電離溫度之間的關系：（1）當 Sb 濃度分別為和時，計算雜質 99，90和 50電離時的31410cm31710cm溫度各為多少？（2）根據一定雜質類型和雜質濃度，畫出電離度和溫度的關系圖線，并確定半導體處于強電離區（電離度9

3、0）的溫度范圍。設計要求：（1）具有友好輸入輸出界面；（2）調整輸入數據，得出相應結果，并進行分析。1.2.1.2.課題分析及設計思路課題分析及設計思路本題是已知摻雜一定數量雜質的半導體，分析其雜質濃度、電離度及電離溫度之間的關系，并且在已知雜質濃度的條件下根據電離度計算溫度。由固體電子導論中載流子濃度的知識，隨著溫度升高，電離程度加大，載流子濃度也增加，但溫度進一步升高后，雜質全部電離，此時以本征激發為主，載流子濃度迅速增加，本題中鍺中摻 Sb 時，形成 n 型半導體，任務是要作出一定摻雜濃度下電離度和溫度的關系曲線，計算公式如下： 濃度為 1014 時電離度與溫度的關系式為： D=1-ex

4、p(116./T)*10(14)/10(15)./T.(1.5)濃度為 1017 時電離度與溫度的關系式為： D=1-exp(116./T)*10(17)/10(15)./T.(1.5)1.3.1.3.系統設計（建模）系統設計（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,

5、);if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);2end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)global a;global b; c1=solve(116/T=1.5*log(T)-2.3

6、);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,dou

7、ble(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; endglobal 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);

8、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);end1.4.1.4.仿真結果與結果分析仿真結果與結果分析1.4.1.仿真結果：圖 1-14圖 1-2 圖 1-35圖 1-41.

9、4.2.結果分析： 由實驗結果不難看出，隨溫度升高載流子濃度逐漸增大至達到一個飽和狀態，即前面所說的高溫本征激發，此時載流子濃度不變化，電離度也是逐漸增大至一穩定水平。6二、課題2 2：光電探測器光電流的計算2.1.2.1.課題任務要求及技術指標課題任務要求及技術指標設計任務：計算光電探測器的光電流。設計要求：（1）具有友好輸入輸出界面；（2）參量可任意輸入；（3）模擬輸入一組數據（數據值應與實際相當） ，給出結果。參考：光電子學光電探測器2.2.2.2.課題分析及設計思路課題分析及設計思路該設計單元進行數值計算，不涉及圖象，故可編輯相應數量的輸入框以及相應數量的輸出框即可。光電探測器光電流的

10、計算涉及 11 個變量，分別為：二極管橫截面積 A，P 區摻雜濃度 Na，N 區摻雜濃度 Nd，電子擴散系數 Dn, 空穴擴散系數 Dp，少數電子載流子壽命 n，少數空穴載流子壽命 p，電子空穴對光產生率 GL，反向偏壓 V，溫度 T，p-n 結基質，影響本征載流子濃度。計算中得出四個中間結果，為：電子擴散長度 Ln，空穴擴散長度 Lp，內建電壓 Vbi,耗盡層寬度 W。最終結果：光電流 I。其中有判斷過程，當計算出的Ln 和 Lp 與 W 相比很小時可將光電流作為瞬時電流，在此不作判斷，得出精確結果。設計思路：T 不同，將影響本征載流子濃度以及內建電壓的值，但為了簡化問題，這里只計算溫度為

11、300K 時的情況，即常溫下的情況。考慮到不同基質將有不同的本征載流7子濃度，而 GaAs 也是重要的探測器物質，因此設計單元選擇不同物質來獲得相應的載流子濃度，給出 Si,Ge.GaAs 三種常見基質。并給每個輸入變量設定相應的缺省值。2.3.2.3.系統設計（建模）系統設計（建模）gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, wxy11_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, wxy11_OutputFc

12、n, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);Endfunction wxy11_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)handle

13、s.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,

14、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.*N

15、d)*104;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);8guidata(hObject, handles);end2.4.2.4.仿真結果與結果分析仿真結果與結果分析2.4.1.仿真結果：圖 2-1 圖 2-22.4.2.結果分析：9(1)選擇 Si 及所有缺省值，得到 Ln=4.4721um ， Lp=3.4641um ，W=0.73324um ，

16、Vbi=0.71534V ，I=0.13871mA 選擇 Ge Ln=4.4721um ， Lp=3.4641um ，W=0.67947um ， Vbi=0.3317V ，I=0.13785mA 選擇 GeAs Ln=4.4721um ，Lp=3.4641um ，W=0.78227um ， Vbi=1.0907V ，I=0.1395mA 可以看到，在這組條件的情況下，雖然本征載流子濃度差別引起內建電壓的較大不同，由于耗盡層相比擴散區寬度很小，因此差別不大，且光電流很小。 (2)縮短載流子壽命，令其為 0.1ns; 得到三個長度(Si)： Ln=0.44721um , Lp=0.34641um

17、,W=0.73324um ,已經在同一數量級上,但由于未增大 W，光電流減小 。(3)增大摻雜濃度：令 Na=2*1018cm-3,Nd=1018cm-3 :結果(Si) Ln=4.4721um ,Lp=3.4641um ,W=0.076489um ,Vbi=0.95481V ,I=0.1282mA 。可以看到，增大濃度雖然增加了內建電壓，但會很大幅度的減小耗盡層寬度，相應的會減小光電流 。 (4)增大反向偏壓，Si 的情況下，令 V=4V，其他條件不變,W=0.96625um,I=0.14244mA，因此增大偏壓可以增加一定的光電流，但并不十分顯著。 (5)很明顯，加大截面積 A 和提高產生

18、率 G 將直接增大光電流，每提高一個數量級都將直接提高光電流一個數量級, 是最有效的提高光電流的方法。 (6)擴散系數一般為較固定的值，因此模擬中就盡量保持其不變，同時通過不同情況下的模擬發現，不同基質雖然具有本征濃度幾個數量級上的差別，但在各種情況中相差很小，只有在摻雜很低的時候反映出一些差別，但在實際應用的條件下，光生電流的差別非常小。主要原因在于本征載流子濃度數量級上的差別反映到內建電場時已轉化為系數差別，且通常小于外加電壓。10三、課題3 3：半導體激光器靜態特性的計算3.1.3.1.課題任務要求及技術指標課題任務要求及技術指標設計任務： 仿照光電子學課本，用線性擬合方法求半導體激光器

19、的閾值電流密度、微分量子效率。設計要求：（1）具有友好輸入輸出界面；（2）參量可任意輸入；（3）模擬輸入一組數據（數據值應與實驗相當，考慮合適的間隔） ，給出結果。參考：光電子學半導體激光器靜態特性3.2.3.2.課題分析及設計思路課題分析及設計思路半導體激光器中閾值電流密度計算方法是：其中第一部分是輻射因素，第二部分是非輻射因素，一般為俄歇輻射影響。本實驗中忽略非輻射復合影響，則計算公式可簡化為J=e*n*d*10(-4)/(t*10(-9);從公式中看出，閾值電流密度主要受有源區寬度、載流子濃度和輻射復合時間決定，用Matlab 工具建立模型，以這三個量為自變量，通過得出的閾值電流密度的變

20、化可以較為直觀地感受到這三個變量的影響程度。 微分量子效率可以通過如下公式計算：)()(thJthJJnrrthlasthrlasthdeFnden3eIIhPPththoutd)()(eIhp 11其中 PoutPth 是輸出光功率增益，IIth 是輸入電流增益，v 是光子頻率，h 普朗克常數、e 電子電量為常數。所以在用 Matlab 建立模型時設定前三者為變量，影響微分量子效率大小。同樣的，輸入幾組數據并觀察結果。3.3.3.3.系統設計（建模）系統設計（建模）gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_

21、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:);endfunction edit4_Callback(hObject, eventdata, handles)input = str2num(get

22、(hObject,String);if (isempty(input) set(hObject,String,);endguidata(hObject, handles);input = str2num(get(hObject,String);if (isempty(input) set(hObject,String,);endfunction edit10_Callback(hObject, eventdata, handles)guidata(hObject, handles);if(isempty(get(handles.edit1,String)| isempty(get(handle

23、s.edit2,String) | isempty(get(handles.edit3,String) msgbox(please input the Parameter of the LD,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;func

24、tion pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)input = str2num(get(hObject,String);12if (isempty(input) set(hObject,String,);endfunction pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)guidata(hObject, handles);if(isempty(get(handles.edit9,String)| isempty(get(handles.edit10,String)| isempty

25、(get(handles.edit11,String) ) msgbox(please input the Parameter of the LD,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) 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); endend3.4.3.4.仿真結果與結果分析仿真結果與結果分析3.4.1.仿真結果：13圖 3-1圖 3-214圖 3-3圖 3-43.4.2.結果分析：15單一改變自變量可以得到以下表格：注入