Исследование фотоэлектрических свойств АФН-пленок для разработки автономного приемника оптического излучения

Разработанные в данной ВКР методы изготовления АФН-приемников открывают новый шаг для развития оптоэлектронного приборостроения. Предложена классификация вариантов включения АФН-приемников в оптоэлектронных устройствах контроля. Получено аналитическое выражение распределения излучения светоизлучающего диода после взаимодействия с контролируемым объектом, позволяющее определить оптимальную площадь светочувствительной поверхности АФН-приемника.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 13
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 15
1.1 Фотовольтаический эффект в полупроводниках ………………………………… 15
1.2 АФН-эффект в полупроводниковых пленках …………………………………….. 16
1.3 О природе возникновения аномального фотонапряжения ………………….. 23
1.4 Микроскопический механизм АФ эффекта ………………………………………. 27
1.4.1 Асимметрия примесных центров ………………………………………………… 27
1.4.2 Асимметрия рассеяния на примесях и фононах …………………………… 30
1.5 Постановка задачи ……………………………………………………………………………. 35
2 Экспериментальная часть ………………………………………………………………………….. 37
2.1 Методика изготовления эффективных АФН-пленок ………………………….. 37
2.1.1 Технология изготовления пленок CdTe:Ag ………………………………….. 39
2.1.2 Методика увеличения АФН в пленочных структурах типа CdTe …. 41
2.2 Получение отражающих серебрянных покрытий ионной
бомбардировкой …………………………………………………………………………………….. 49
2.2.1 Экспериментальные камеры и измерительная аппаратура …………… 50
2.2.2 Экспериментальные методики ……………………………………………………. 53
3 Результаты исследования ………………………………………………………………………….. 57
3.1 Кинетика АФН-эффекта в пленках типа CdTe …………………………………… 57
3.2 Поглощение излучения в пленках CdTe:Ag ……………………………………….. 63
3.3 Изготовление АФН-приемника …………………………………………………………. 66
3.4 Многоволновые устройства контроля оптических параметров
веществ на основе СИД и АФН-приемников …………………………………………… 69
3.5 Перспективы создания оптоэлектронных приборов для контроля
параметров веществ и материалов на основе АФН-приемника………………. 73
3.6 Выводы по разделу …………………………………………………………………………… 76
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 78
4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………… 78
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………… 78
4.1.2 SWOT-анализ……………………………………………………………………………… 81
4.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации………………………… 82
4.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………….. 83
4.2.1 Цели и результаты проекта …………………………………………………………. 83
4.2.2 Ограничения и допущения проекта …………………………………………….. 84
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ………………… 84
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………………… 84
4.3.2 План проекта………………………………………………………………………………. 85
4.3.3 Бюджет научного исследования ………………………………………………….. 86
4.4 Организационная структура проекта …………………………………………………. 90
4.4.1 План управления коммуникациями проекта ………………………………… 91
4.4.2 Реестр рисков проекта ………………………………………………………………… 91
4.5 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования …………………………………………. 93
4.5.1 Оценка абсолютной эффективности исследования………………………. 93
4.5.2 Чистая текущая стоимость (NPV) ……………………………………………….. 93
4.5.3 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………….. 97
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 101
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 101
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………… 103
5.2.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению ………………………………………………………… 103
5.2.2 Отклонение показателей микроклимата …………………………………….. 103
5.2.3 Превышение уровня шума и вибрации ………………………………………. 104
5.2.4 Недостаток освещенности рабочей зоны …………………………………… 106
5.2.5 Повышенное значение напряжения в электрической цепи,
замыкание которой может произойти через тело человека …………………. 107
5.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………. 108
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………………. 108
5.4.1 Пожаровзрывоопасность …………………………………………………………… 108
5.4.2 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследования и которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………. 109
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 110
Список использованных источников ………………………………………………………….. 113
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 117
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АФ – аномально фотовольтаический эффект
АФН – аномально высокое фотонапряжение
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БОФС – блок обработки фотоэлектрического сигнала
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВОД – волоконно-оптический датчик
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи
ВС – волоконный световод
ЛД – лазерный диод
МНПВО – многократное НПВО
НПВО – нарушение полного внутреннего отражения
ОВ – оптическое волокно
ОК – оптический кабель
ОК – оптический канал
ООК – оптрон открытого канала
ОПП – оптоэлектронный первичный преобразователь
ОЭ – оптоэлектронные элементы
ПЗС – приборы с зарядовой связью
ПОИ – приемник оптического излучения
СИД – светоизлучающий диод
ФД – фотодиод
ФР – фоторезистор
ФТ – фототиристор
ФТТ – фототранзистор
ЧЭ – чувствительный элемент
ЭДС – электродвижущая сила
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
с – скорость света в вакууме
С – электрическая емкость; теплопроводность
Е – энергия
Eq – ширина запрещенной зоны полупроводника
EFn и EFp – энергии уровня Ферми в n- и p-областях

nn и pp – соответственно концентрации электронов в n-области и дырок в p-

области
J – интенсивность падающего света
R0 – темновое сопротивление
Ф – поток оптического излучения
d0 – диаметр оболочки оптического волокна
dc – диаметр сердцевины оптического волокна
– длина волны излучения
L – длина диффузии
τ – время жизни
D – коэффициент диффузии
g – скорость генерации неравновесных носителей заряда
N – число микрофотоэлементов
α – угол освещения пленки

Целью данной ВКР являлось исследование фотоэлектрических свойств
АФН-пленок на основе CdTe, CdTe:Ag, разработка автономного ПОИ и
создание оптоэлектронного преобразователя для контроля оптических
параметров жидких сред. В рамках литературного обзора был проведѐн анализ
методик для проведения исследований полупроводниковых источников и
приемников излучения, в том числе тонкоплѐночных АФН-структур и
оптоэлектронных систем, в видимой и ближней инфракрасной области спектра
с применением эффекта НПВО. Проведенный литературный обзор и анализ
текущих исследований в области оптрона открытого канала и АФН-эффекта
В третьем разделе настоящей работы рассмотрены особенности
характеристик АФН-пленок с позиций спектрального согласования со
светоизлучателями, быстродействия и величины генерируемого
фотонапряжения приводит к заключению, что наиболее подходящими являются
пленки. , CdTe:Ag, CdSe и трехселенистой сурьмы. .Расширение сфер и объѐма
применения АФН-приемников для автоматизации производственных процессов
связано с развитием технологии получения АФН-плѐнок, совершенствованием
их применения в качестве ПОИ, а также развитием метрологии и схемотехники.
Проведена, основанная на экспериментальных данных, систематизация
особенностей ПОИ, АФН-пленочных структур, первичных элементов
оптоэлектроники. Показано, что такая систематизация позволяет выбрать более
адекватное строение оптрона открытого канала. Экспериментально
подтверждено, что ПОИ на основе АФН-пленок имеет ряд преимуществ:
исключение внешнего источника питания для ПОИ, снижение веса и габаритов,
обеспечение полной электрической развязки между цепями «излучатель –
ПОИ». Разработан ряд методик и подходов для получения эффективных АФН-
плѐнок и для изучения их особенностей.
Предложен метод многофункциональной оптоэлектронной системы
неразрушающего контроля технологических параметров нефти и
нефтепродуктов. Для этого рассчитано светопропускание (k) элементов НПВО,
линзовых элементов. Показано, что для вычисления k нужно задать конкретный
тип элемента НПВО. Предложены и детально обоснованы следующие
основополагающие направления:
а) совершенствование преобразователей оптической информации на
основе элемента НПВО и оптрона открытого канала;
б) развитие технологии обработки фотоэлектрического сигнала –
схемотехника, методы испытаний и параметрической стабилизации
характеристик;
в) расширение применения микропроцессоров и современных ЭВМ.
Доказано, что применение оптоэлектронных многофункциональных
систем не только повышает информативность контроля, но и позволяет
уменьшить погрешности от влияния внешних факторов, так как температура,
влажность и уровень вибрации могут учитываться при автоматической
коррекции погрешности.
Разработаны методики определения технологических параметров, таких
как: влажность хлопка-сырца и его продуктов; концентрация глицерина; форма,
объѐм и дефектность коконов; толщина листового стекла; шероховатость,
дефектность, зернистость и цвет металлических поверхностей.
Для реализации комплекса предложенных методик по выбору оптрона
открытого канала на основе излучателя и АФН-приемника предложена
волоконно-оптическая система, обладающая достаточно простой конструкцией,
дающей возможность приема световой энергии через оптоволокно, что
открывает принципиально новую возможность миниатюризации
оптоэлектронных волоконно-оптических систем.
Проведенный анализ научно-технического уровня исследования, в
рамках раздела «финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение», показал, что исследование имеет высокую значимость для
прикладных и научно-исследовательских областей импульсной техники, однако
не используется в широком спектре отраслей.
В рамках раздела «социальная ответственность» определены опасные и
вредные факторы, имеющие место в работе с экспериментальным стендом.
Разработаны профилактические меры по предотвращению чрезвычайных
ситуаций при работе c экспериментальным стендом, а также необходимые
меры безопасности.