на тему - Розрахунок параметрів структурних елементів РЕА Студентки 3 курсу БМ361 групи напрям підг
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Національний авіаційний університет
Інститут інформаційно діагностичних систем
Кафедра біокібернетики та аерокосмічної медицини
Курсова робота
з фізико-хімічних властивостей структурних елементів
на тему : «Розрахунок параметрів структурних елементів РЕА»
Студентки 3 курсу , БМ-361 групи
напрям підготовки 6.050902
спеціальності «Радіоелектронні апарати»
Тур М.В.
Керівник :викладач Головко М.В.
Національна шкала___________________
Кількість балів:______ Оцінка:ECTS____
Київ 2013
Зміст
|
[1] Зміст [2] Висновок: |
Умовні позначення:
t - час , х - координата (товщина), S - площа перерізу;
с = 3 • 10 м/с - швидкість світла;
е = 1,602-10'19 Кл - модуль заряду електрона, заряд дірки;
g - швидкість генерації носіїв струму;
h = 6,63 • 10'34 Дж с - стала Планка, v - частота світлових квантів;
k = 1,38 - 10‘23Дж/К = 8,62 -10° еВ/К - стала Больцмана,
Т - температура;
Е - напруженість електричного поля, U - різниця потенціалів;
η 3 - зовнішній квантовий вихід;
ε - відносна діелектрична проникність;
ε 0= 8,85 -10’ Ф/м - електрична стала;
J- густина струму, Js- густина струму насичення;
m0 = 9,11 -10'31кг - маса спокою вільного електрона;
Еg - ширина забороненої зони, Е - енергія електрона (дірки);
n - концентрація електронів, р - концентрація дірок;
τn - час життя електронів, τр - час життя дірок;
ρ - питомий опір, ρт - темновий опір;
γ - питома електропровідність;
γт - питома темнова електропровідність, Δу - питома фотопровідність;
Dп - коефіцієнт дифузії електронів,Dp - коефіцієнт дифузії дірок;
Δn - концентрація нерівноважних електронів,
Δр - концентрація нерівноважних дірок;
Δα - коефіцієнт поглинання світла, R - коефіцієнт відбивання світла;
ϕ - квантова інтенсивність випромінювання (густина потоку фотонів);
LОПТ- ефективна довжина поглинання світла;
η - квантовий вихід фотоефекту.
Результатом виконання курсової роботи є побудова волоконно-оптичної лінії передачі сигналу з використанням структурних елементів радіоелектронних апаратів, параметри яких розраховуються на основі дослідження фізико-хімічних властивостей: світловипромінюючого діода (СВД), модулятора, оптичного волокна та фотодетектора. Параметри кожного зі структурних елементів повинні задовольняти умовам:
Необхідно, щоб довжина хвилі випромінювання СВД відповідала вікну прозорості оптоволокна, а фотодетектор ефективно поглинав таке випромінювання. За довжиною хвилі підбирається робоча напруга модулятора.
Електричний струм, який живить СВД, повинен забезпечити генерування випромінювання такої інтенсивності, якої з урахуванням втрат у модуляторі і оптоволоконні вистачило б для створення фотоструму фотодетектора заданої величини.
Частота модулюючого сигналу не повинна перевищувати граничну частоту роботи кожного з чотирьох структурних елементів волоконно-оптичної лінії передачі сигналу, визначальних елементів волоконно-оптичних ліній передачі сигналу.
Теоретична частина
1.1. Світловипромінюючі діоди (СВД).
При вивченні оптичних властивостей напівпровідникових приладів найбільш вдалою формою представлення випромінювального р-n переходу є його зонна діаграма, яка показана на рис. 1. Позначення енергетичних рівнів наступні: Ес - дно зони провідності, Еv - потолок валентної зони. Різниця енергій Ес - Еv є шириною забороненої зони Еg.
пп - концентрація електронів в n-області, рр - концентрація дірок в р-області. U - величина прямої напруги, І - сила струму через СВД, Фи- кількість випромінених СВД фотонів, Np і Nn- кількість дірок і електронів, інжектованих через р-n- перехід.
Основною фізичної величиною, що характеризує якість СВД, є зовнішній квантовий вихід ηв - відношення кількості випромінених СВД фотонів Фи, до повної кількості дірок і електронів, що протікають через р-n-перехід Nр + Nn:
(1)
Рис. 1. Зонна діаграма світлодіода
Якщо прийняти, що величини Фи і Nр + Nn „ вимірюються за одиницю часу, то сила струму через СВД дорівнює І = е (Nр + Nn) (2).
Тоді потужність випромінюваного ним світла визначається як
Рвипр = Фи hv = ηв (Nр + Nn) hv = ηв (І/е) hv = I ηв hv/е (3)
У співвідношенні (3) і далі h і е - константи (див. умовні позначення). Максимальна гранична частота роботи світлодіода (частота модулюючого
сигналу при внутрішньому способі модуляції випромінювання) визначається часом життя інжектованих в р-базу електронів τn:
(4)
В дані лабораторні роботі я беру склад СВД – InPy As1-y
Ширина забороненої зони Еg таких напівпровідників залежить від параметрів складу:
Еg = ( 0,36+0,97у) (5)
Параметр складу у підбирається з умови того, що довжина хвилі випромінювання (6) повинна збігатися з довжиною хвилі одного з вікон прозорості кварцового оптоволокна (рис. 2), номер якого задається. Вікна прозорості кварцового оптоволокна в ближній інфрачервоній області спектра: 0,85, 1,15, 1,33 і 1,55 мкм. Цій довжині хвилі повинен відповідати максимум потужності випромінювання. Довжина хвилі пов'язана з енергією фотона hv виразом (7)
Смуга випромінювання в енергетичних одиницях визначає інтервал енергій випромінюваних фотонів, квантова інтенсивність яких більша половини максимальної квантової інтенсивності;
∆(hv) -напівширина смуги випромінювання в енергетичних одиницях.
а) б) в)
Рис.2. Електрооптичний модулятор на базі комірки Поккельса.
а) вхідний потік випромінювання;
б) зовнішнє електричне поле;
в) вихідний потік випромінювання.
Враховуючи, що енергія випромінюваних фотонів ку набагато більша різниці енергій d(hv) у смузі випромінювання ∆(hv), можна продиферинціювати формулу (7):
(8)
Звідки, замінивши знак диференціала d на знак приросту ∆, отримаємо вираз для смуги випромінювання в одиницях довжини хвилі (напівширини спектру)
(9)
Тоді смуга випромінювання в одиницях довжини хвилі визначається як інтервал .
Смугу випромінювання в одиницях частоти можна отримати, розрахувавши частоту випромінювання з виразу (7), а напівширину спектру в одиницях частоти - з (9)
(10)
1.2. Модулятори.
Будова електрооптичного модулятора подана на рис.2. практичне використання електрооптичного ефекту засноване на тому, що показник заломлення різний для світла, поляризованого перпендикулярно і паралельно прикладеному зовнішньому електричному полю, і ця різниця залежить від величини поля.
На рис.2 вхідне світло, що поширюється вздовж осі z, поляризоване під кутом 45̊ по відношенню до зовнішнього електричного поля E0x . За наявності зовнішнього поля виникає різниця показників заломлення для поздовжнього до зовнішнього електричного поля Ex(ω) і поперечної Ey(ω) компонент електромагнітного поля світлового випромінювання
(11)
де n- показник заломлення за відсутності зовнішнього поля, r – електрооптичний коефіїєнт Поельса, - напруженість овнінього елетричного поля, спрямованого вздовж 0x. В результаті при виході світлової електромагнітної хвилі з кристала довжиною l компоненти Ех(ω) і Еу(ω) набувають оптичну різницю ходу
(12)
Відповідна різниця фаз між компонентами Ех(ω) і Еу(ω) буде
(13)
Якщо ΔОПТ=λ/2, то площина поляризації вихідного світла буде повернута на 90̊ по відношенню до площини поляриції вихідного пучка. Таким чином, якщо кристал з поперечними розмірами a˟b поміщений між схрещиними поляризаторами, то вихідний сигнал відсутній при відсутності напруги і досягає максимуму, коли прикладена зовнішня «півхвильова напруга»:
(14)
Величина n3r являє собою фактор якості електрооптичного матеріалу.
Для рівності тривалості світлового імпульсу і імпульсу керуючої напруги необхідно, щоб час проходження світлової хвилі по кристалу був набагато меншим тривалості тривалості імпульсу керуючої напруги. Якщо тривалість імпульсів невелика, можна обмежитись умовою, коли час проходження світлової хвилі через модулятор в 20 разів менше періоду проходження керуючих імпульсів:
(15)
Тоді максимально можлива частота модулюючого сигналу обмежена довжиною комірки відповідно до співвідношення:
(16)
Оскільки для роботи комірок Поккельса потрібне поляризоване світло, то при їх використанні в оптичних лініях зв’язку спільно з джерелами некогерентного випромінювання, якими є СВД, при поляризації на вхідному поляризаторі втрачається δпол=0,5 потужності випромінювання. Таким чином, ККД комірки Поккельса визначається добутком
δмод=δпол ˣδматер (17)
де δматер – коефіцієнт пропускання матеріалу комірки.
1.3.Світлопроводи
Дуже короткий світловий імпульс деякої спектральної ширини Δλ=λ2-λ1, введений в світловод в одномодовому режимі, коли фронт хвилі перпендикулярний осі світловода, виходить з нього дещо розмитим в часі. Це відбувається в результаті оптичної дисперсії, коли світлові хвилі з різною довжиною хвилі поширюються з різною швидкістю: більша довжина – більша швидкість. Такий ефект накладає фундаментальне обмеження на верхню межу частоти проходження імпульсів. Частота проходження імпульсів не може бути більше граничної частоти fmax, при якій в процесі поширення імпульсів по світловоду довгохвильовий край λ2 одного імпульсу наздожене короткохвильовий край λ1 попереднього імпульсу, найменший період проходження імпульсів Ттіп має дорівнювати різниці інтервалів поширення короткохвильового t1 і довгохвильового t2 імпульсів
де n(λ1) і п(λ2) - показники заломлення для короткохвильового і довгохвильового країв спектрального діапазону імпульсу, L - довжина світловода, с - швидкість світла у вакуумі, λ1 і λ2 - розраховують за спектральною напівширину імпульсу Δλ.
Тут враховано, що знаючи величину дисперсії dn/dλ для заданого діапазону довжин хвиль і спектральну напівширину імпульсу Δλ, можна знайти різницю показників заломлення для короткохвильового і довгохвильового країв спектрального діапазону імпульсу:
(18)
Поширення світлового сигналу по світловод супроводжується втратами, що характеризуються питомим коефіцієнтом втрат
(19)
де - потужність на вході, - потужність на виході світловоду довжиною L км. Тоді повне загасання після проходження світловоду довільної довжини L
(20)
Тоді потужність сигналу на виході можна визначити як
Рис. 3. Питоме затухання кварцового оптоволокна
Для волоконнооптичних ліній зв'язку найчастіше використовується кварцове волокно, спектр поглинання якого показаний на рис.З. Існують чотири мінімуму поглинання: 2,7, 0,8, 0,5 і 0,2 дБ / км - вікна прозорості. Залежно від комплексу умов вибирається певне вікно прозорості. Щоб випромінювання СІД точно відповідало обраному вікна, необхідно застосувати напівпровідник з відповідною шириною забороненої зони, яка визначається із співвідношення 6.
1.4. Фотодіоди.
Фотоактивним для даного напівпровідника є світло, енергія фотонів якого більша або дорівнює ширині забороненої зони. Однак, енергія фотонів світла, що поглинається, не може більш ніж удвічі перевищувати ширину забороненої зони, оскільки при цьому світло поглинається поблизу поверхні, де генеровані носії відразу рекомбінують через поверхневі стани. Тому напівпровідник з шириною забороненої зони Eg буде поглинати світло з енергією максимуму випромінювання hv з нерівності
Ед ≤ hv ≤ 2Ед (22).
І, навпаки, світло з енергією максимуму випромінювання hv поглинається напівпровідниками з шириною забороненої зони Eg з нерівності
≤ Ед ≤ hv (23).
Поглинуте випромінювання зручно характеризувати квантовою інтенсивністю фо - кількістю фотонів, що припадають на 1 м2 поверхні напівпровідника за 1 с. Тоді потужність падаючого на поверхню напівпровідника площею S випромінювання
(24).
Коли поверхня напівпровідника освітлюється (рис. 4) фотоактивним світлом з квантовою інтенсивністю фо, то в міру проникнення світла вглибину напівпровідника квантова інтенсивність світла змінюється за законом Бугера:
ф(х) = фо (1 – R)exp(-αx) ( 25 ),
де R - коефіцієнт відбивання світла, а - коефіцієнт поглинання світла, х - відстань від поверхні.
Швидкість оптичної генерації носіїв у тонкому шарі пропорційна швидкості зменшення інтенсивності світла:
(26),
де - квантовий вихід внутрішнього фотоефекту.
Розглянемо фотодіод з р-п-переходом, у якого тонка p-область товщиною d (база) і площею S освітлюється світлом квантовою інтенсивністю ф0. Для фотодіода характерно, що світло повністю поглинається в приповерхневому шарі, тобто ефективна довжина оптичного поглинання Lonm « d та швидкість оптичної генерації в р-області
(27).
Концентрація генерованих світлом нерівноважних електронів і дірок в базі фотодіода:
(28)
(29)
де - час життя електронів і дірок відповідно.
Так як товщина області поглинання світла d стає набагато меншою дифузійних довжин носіїв, то генеровані світлом електрони практично миттєво і без втрат досягають р-п-переходу і йдуть в n-область. Дірки, досягаючи р-п-переходу, не можуть подолати потенційний бар'єр і залишаються в р-області. Тоді густина електронного фотоструму через р-п-перехід площею S (рис. 4), за відсутності помітних втрат на рекомбінацію фотоносіїв до їх поділу р-п-переходом, можна визначити як
(30),
У результаті цього п-область заряджається негативно, а р-область- позитивно. Виникає фото ЕРС Uф, прикладена в пропускному напрямі, висота потенційного бар'єру зменшується, і в пропускному напрямі починає протікати прямий струм, створюваний потоком електронів з п-області і дірок з р-області:
(31),
де - густина струму насичення.
Тому повний потік електронів з р-області зменшується, а дірок - збільшується. Якщо фотоелемент розімкнений, то зміна потоків електронів і дірок продовжується до тих пір, поки обидва потоки не зрівняються, тобто поки повний струм через р-п-перехід не стане рівним нулю:
(32).
Створена при цьому різниця потенціалів називається напругою холостого ходу. Підставивши (ЗО) і (31) в (32), отримаємо співвідношення, що встановлює зв'язок між падаючою на фотоелемент густиною потоку фотонів ф0 і напругою холостого ходу Uxx:
(33)
У фотодіодному режимі на р-п-перехід подається зворотне зміщення, і струм через р-п-перехід являє собою суму зворотного струму, що визначається по (31) з від'ємним значенням U, і фотоструму (30):
(34).
У фотодіодному режимі темновий струм (за відсутності освітлення) повинен бути якогома меншим, тому на p-n-перехід подається таке зворотне зміщення, при якому темновий струм практично дорівнює струму насичення, тоді:
(35) .
У показаній на рис. 4 можливій конструкції фотодіода сила струму через діод
J=jS (36),
де S - збігається з площею освітлюваної поверхні.
Рис.4. Внутрішній фотоефект
Максимальна гранична частота роботи фотодіода (частота модулюючого сигналу, при якій фотострум ще встигає спадати від свого максимального значення до нуля) визначається часом виходу носіїв заряду з бази :
(39),
а час виходу носіїв з бази тим менший, чим менша товщина бази d:
(38).
Тут враховано, що коефіцієнт дифузії носіїв заряду
,
де -рухливість носіїв заряду.
Практична частина
2.1Розрахунок параметрів СВД
Склад: InPyAs1-y .
Вікно прозорості №4
ηз=0,74; Δhν=0,447kT; τn=2,71*10-9с
Потрібно розрахувати: - ?, - ?, - ?, - ?
За умовою, для виготовлення СВД використовується потрійний напівпровідник складу InPyAs1-y . Визначимо атомну частку Фосфору із співвідношення характерного для складу 2:
Енергія максимуму випромінювання СВД дорівнює ширині забороненої зони (Eд ) напівпровідника, із якого він виготовлений. Відповідно частота максимуму випромінювання:
Напівширину смуги випромінювання СВД в одиницях частоти знайдемо із наступних співвідношень:
Максимальна гранична частота модульованого сигналу при внутрішньму способі модуляції випромінювання визначається по формулі:
2.2 Розрахунок модулятора
За умовою маємо:
Потрібно розрахувати:
b - ?, lmax - ?, fmax - ?, Δφ - ?, σмод - ?
Виразимо поперечний розмір комірки:
n – показник заломлення. Його можна визначити по фактору якості матеріалу комірки:
Максимально можлива частота модулюючого сигналу при довжині комірки 15мм:
Різниця фаз двох складових прохідного світла: поляризованого вздовж зовнішнього електричного поля і впоперек нього
ККД комірки:
2.3 Світловод
Задані параметри світловоду:
σ = 2,685*103м L = 1.93 км
Потрібно розрахувати:
fmax - ?, β - ?,
Δ(hν) – на півширина смуги випромінювання в енергетичних одиницях, h – стала Планка, k – стала Больцмана, Т – температура, N – номер варіанта, λ – довжина хвилі.
Згасання в оптоволокні:
Зменшення потужності світлового випромінювання в результаті втрат в ньому:
2.4 Розрахунок світлоприймача
Характеристики задані:
S = 2.6 мм2 d = 2.6 мкм
js = 2.6 А/м2 μn = 0.04 м2/В*с
R = 0.12 η=0,74
Потрібно розрахувати: - ?, І - ?, - ?, -?
Мінімальна ширина забороненої зони напівпровідника, придатного для виготовлення фотодіодів для прийому даного випромінювання:
Відношення струму фотодіода при освітленні його поверхні випромінюванням заданої потужності:
Потужність падаючого на фотодетектор випромінювання:,
Потужність на вході оптоволокна:
Потужність на вході комірки Поккельса:
.
Сила струму в СВД:
Максимально гранична частота роботи фотодіода:
Висновок:
В ході даної роботи було побудовано та розраховано волокно-оптичну лінію зв’язку (ВОЛЗ). Для цього було підібрано і розраховано основні параметри чотирьох визначних елементів ВОЛС : світло випромінюючого діода (СВД), модулятора, оптичного волокна та фотодетектора .
Параметри кожного з елементів відповідають таким умовам :
1)довжина хвилі випромінювання світловода відповідає вікну прозорості оптоволокна , а фотодетектор ефективно поглинає таке випромінювання;
2)електричний струм , що живить світловод забезпечує генерування випромінювання такої інтенсивності, якого з урахуванням втрат у модуляторі й оптоволокні вистачає для створення фотоструму фотодетектора необхідної величини;
Список використаної літератури
1.Вікулін І.М., Горбачьов В.Е. Физика оптической связи: Метод. Указания для самост. работы студентов по курсу физики. Одесса: Од. міська друкарня,2000.
2 .Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. –М :Радио и связь, 1990.
3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – М. : Мир, 1998
4. Оптическая связь. / Пер. с японского. – М. : Радіо і связок, 1984.
5. Мосс Т., Баррел Г.,Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. –М. :Мир, 1976.
6. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А., Курмашов Ш.Д.Полупроводниковые фотоприемники. – М. : Радио и связь, 1984.
7. Інтернет ресурс: http://extusur.net/content/3_optika/3_1_4.html
PAGE \* MERGEFORMAT 1
2. Развитие взрывчатых веществ т
3. ИСТОРИЯ 9 КЛАСС
4. УСТРОЙСТВО И ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЛАНИРОВОК МАГАЗИНОВ Требования к устройству магазинов.html
5. Практическая культура безопасности эксплуатации АЭС
6. Наземная радиолокационная система
7. Национальная экономика цели и результаты.html
8. Къадисии Другая история о аль~Аля ибн альХадрами когда он был послан в Бахрейн как он прошел по морю со сво
9. тематика русский язык литература задания на логику.html
10. первых той ролью которую играют средства массовой информации печать телевидение радио в формировании мн
11. Объекту его желаний Перевод- Калле Редактура- Viktori Оформление- Vikyly Аннотация- Арсен Грей маркиз С
12. Применение лазеров в технологических процессах
13. Тема1 Психофізіологія як наука
14. Революции 1848-1849 гг в Европе
15. Скромность добродетель японцев (Кэнкё)
16. Суть времени организовало вместе с другими патриотическими силами антиоранжевый митинг на Поклонной го
17. Требования к оформлению доверенности
18. РЕФЕРАТ ПО ПОЛИТОЛОГИИ НА ТЕМУ - ldquo; РОЛЬ СИЛЫ В НЕНАСИЛЬСТВЕ
19. важнейшее средство человеческого общения
20. Разработка рабочего оборудования одноковшового погрузчика