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
Умовні позначення: 2
1.2. Модулятори. 8
1.3.Світлопроводи 10
1.4. Фотодіоди. 12
Висновок: 20
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 фотонаhv 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)