Контрольная работа по "Физике". 41

Содержание

 

 

1.12. Что такое рекомбинация основных  носителей?

РЕКОМБИНАЦИЯ носителей заряда в полупроводниках - исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей в результате перехода электрона из энергетич. состояния в зоне проводимости в незанятое энергетич. состояние в валентной зоне (см. Полупроводники ).При Р. выделяется избыточная энергия порядка ширины запрещённой зоны  . Различают излучательную и безызлучатель-ную Р. Первая сопровождается излучениемсветового кванта с энергией (см.Рекомбинационное излучение). При безызлучательной Р. избыточная энергия может непосредственно передаваться решётке путём возбуждения её колебаний (фононнаябезызлучатель-ная Р.) пли рекомбинирующий электрон посредством кулоновского взаимодействия может передать энергию др. электрону зоны, переводя его в высокоэнергетич. состояние (оже-рекомбинация).

При безызлучательной фононной Р. электрону  для выделения энергии ~ требуется возбудить в одном акте неск. десятков фононов, т. к. обычно в полупроводниках ~ 1-2 эВ, а макс. энергия фонона составляет сотые эВ. Такие многофононные перехо-ды имеют ничтожно малую вероятность. Любая возможность передать избыточную энергию решётке не в одном акте, а в неск. последовательных актах на много порядков увеличивает вероятность Р. Эта возможность реализуется на примесных центрах или дефектах кристаллич. структуры, к-рые образуют уровни в запрещённой энергетич. зоне (см. Рекомбинационные центры).

Излучательная и оже-Р. также могут протекать с участием примесных центров. Однако обычно эти  процессы осуществляются непосредственно  как прямые переходы зона проводимости - валентная зона. При пзлучательной  Р. зона - зона законы сохранения энергии и импульса приводят к тому, что энергия светового кванта, т. к. кинетич. энергии электрона и дырки много меньше  . В то же время импульс кванта очень мал, так что электрон и дырка аннигилируют с противоположными импульсами b k (рис. 1).

Вследствие этого в  непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) в обычных условиях Излучательная Р. идёт только с участием примесей или колебаний решётки и имеет меньшую, чем в прямозонных полупроводниках (GaAs, InSb), вероятность.

Число актов излучательной  Р. в 1 с в единице объёма равно

где n, p - концентрации электронов и дырок, a наз. коэф. излучательной Р. Сечение излучательной Р. s связано с a соотношением  , где   - ср. тепловая скорость электрона. В прямозонных полупроводниках при Т = 300 К s ! 10^-16 : 10^-18 см², в непрямозонных - 10^-21 : 10^-22 см².

 

Рис. 1. Излучательная рекомбинация зона - зона в прямо-зонном полупроводнике.

 

2.11 Как определяется  коэффициент усиления по току  в схеме с общей базой?

зависимость тока коллектора от тока эмиттера выражается через  коэффициент усиления по току, который  обозначается буквой а («альфа»). Этот коэффициент определяется как отношение приращения тока коллектора Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера Iэ, а именно

За счёт близкого расположения переходов и вследствие совершенной технологии производства величина а современных плоскостных транзисторов обычно находится в пределах от 0,9 до 0,997.

Одному и тому же приращению тока эмиттера будут соответствовать  различные значения вызванного им приращения тока коллектора в зависимости от выбора исходной рабочей точки на характеристике. Это говорит о том, что величина коэффициента а зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера

3.13. Область применения  и работа точечного оптрона

Оптронами называют такие  оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В  излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение  получили лишь оптроны, у которых  имеется прямая оптическая связь  от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности  структурной схемы среди изделий  оптронной техники выделяют две  группы приборов. Оптопара (говорят  также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной  цепи такой прибор выполняет функцию  элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

В качестве элементов  гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между  которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных  цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное  управление сильноточными и высоковольтными  цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Специфическую группу управляющих  оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных  схем коммутации в сложных устройствах  визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое  направление применения изделий  оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств  оптического канала при различных  внешних воздействиях на него позволяет  создать целую серию оптронных  датчиков: таковы датчики влажности  и загазованности, датчика наличия  в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона  в фотовентильном режиме. В таком  режиме фотодиод генерирует электрическую  мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи.

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении  меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов  гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Как элемент связи оптрон характеризуется  коэффициентом передачи К_i , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t_нар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U_разв и R_разв и проходной емкостью C_разв. 

В структурной схеме на рис. 2 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением "порогового" входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Рис 2. Обобщенная структурная схема оптрона

Назначение оптической среды - передача энергии оптического  сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение  механической целостности конструкции.

4.3. Что такое процесс рекомбинации  ионов в газе?

Установление равновесной  степени ионизации в частично ионизованном газе осуществляется путем  различных элементарных актов столкновительной ионизации и обратной рекомбинации сталкивающихся заряженных частиц.

В простейшем случае, когда в газе имеется (помимо электронов) лишь один сорт ионов, процесс установления ионизационного равновесия описывается уравнением вида

Здесь Р — число электронов, образующихся в 1 с в 1 см3 (при столкновениях  нейтральных атомов или путем  ионизации атомов фотонами); это  число не зависит от наличных плотностей электронов  и ионов . Второй же член дает убыль числа электронов благодаря их рекомбинации с ионами; величину а называют коэффициентом рекомбинации.

Процесс рекомбинации обычно весьма медлен по сравнению с остальными процессами установления равновесия в  плазме. Дело в том, что образование нейтрального атома при столкновении иона с электроном требует уноса освобождающейся энергии (энергии связи электрона в атоме). Эта энергия может излучиться в виде фотона (радиационная рекомбинация); в таком случае медленность процесса связана с малостью квантовоэлектродинамической вероятности излучения. Освобождающаяся энергия может быть также передана третьей частице нейтральному атому; в этом случае медленность процесса связана с малой вероятностью тройных столкновений. Все это приводит к тому, что рекомбинацию часто имеет смысл изучать в условиях, когда распределение всех частиц можно считать максвелловским.

В равновесии производная  обращается в нуль. Отсюда следует, что величины   связаны друг с другом соотношением —

где  — равновесные плотности электронов и ионов, определяющиеся соответствующими термодинамическими формулами (см. V, § 104).

Коэффициент радиационной рекомбинации вычисляется непосредственно по сечению рекомбинации сгрек при  столкновении электрона с неподвижным  ионом (скоростью иона можно пренебречь по сравнению со скоростью электрона):

где усреднение производится по максвелловскому  распределению скоростей электрона  

Радиационная рекомбинация существенна, однако, лишь в достаточно разреженном газе, когда тройными столкновениями частиц можно вовсе пренебречь.

В менее разреженном газе основным механизмом является рекомбинация с  участием третьей частицы — нейтрального атома. Именно этот механизм мы и рассмотрим теперь подробнее.

При столкновении с атомами энергия  электрона изменяется малыми порциями. Поэтому процесс рекомбинации начинается с образования сильно возбужденного  атома, а при дальнейших столкновениях  этого атома происходит постепенное  «опускание» электрона на все более низкие уровни. Такой характер процесса позволяет рассматривать его как «диффузию по энергии» захваченного электрона и соответственно применить к нему уравнение Фоккера—Планка

Введем функцию распределения  захваченных электронов по их (отрицательным) энергиям е. Основную роль будет, естественно, играть, «диффузия» по области энергий . Напомним в этой связи, что температуру надо во всяком случае считать здесь малой по сравнению с ионизационным потенциалом атомов   газ был бы уже практически полностью ионизованным

Уравнение Фоккера — Планка:

Как обычно, коэффициент А можно  выразить через После этого поток s примет вид

«Коэффициент диффузии»  определяется по общему правилу как

где  — изменение энергии возбуждения атома при его столкновении с невозбужденным атомом; вычисление  по этой формуле сводится к решению механической задачи о столкновении и последующему усреднению по скорости невозбужденного атома

Для нахождения функции  замечаем, что равновесное распределение по импульсам и координатам для электрона в кулоновском поле заряда  (заряд иона) дается формулой Больцмана

5.16. Система обозначений  интегральных микросхем.

1 - серия ИМС. В одну  серию объединяются ИМС, разработанные на основе единых схемотехнических решений и выполненные по одной технологии. Первая цифра серии - технологический признак ИМС:

1,  5, 7, 8 - полупроводниковые ИМС;

2,  4,6,8- гибридные ИМС;

3 - все прочие.

2 - группа ИМС по  функциональному назначению:

У - усилители Г - генераторы А - формирователи  сигналов Е - вторичные источники  питания (ВИП)

X - многофункциональные схемы JI - логические схемы Т - триггеры

И - схемы цифровых устройств В - схемы вычислительных устройств  и микро ЭВМ Р - элементы памяти

3  - подгруппа, уточняющая функциональный признак. В ней обозначения могут записываться так: УН, УВ, УН, УТ, УД. УН, например, обозначает «усилитель низкочастотный».

4  - вид ИМС по своим электрическим параметрам (для аналоговых ИМС) или же дальнейшее уточнение функций (для цифровых ИМС).

К155ЛАЗ - 4 элемента 2И-НЕ. КР, КМ - разновидность  корпуса, из чего сделан.

2) Элементы и компоненты ГИС.  Одним из основных элементов  ГИС является подложка из стеклокерамического  материала. Форма всегда прямоугольная. К подложке предъявляются высокие требования по чистоте обработки поверхности, по химической стойкости и электрической прочности.

7.1. Электронный ключ - назначение и условное обозначение

Аппаратное средство, предназначенное для защиты программного обеспечения (ПО) и данных от копирования, нелегального использования и несанкционированного распространения.

Основой данной технологии является специализированная микросхема, либо защищённый от считываниями кроконтроллер, имеющие уникальные для каждого ключа алгоритмы работы. Донглы также имеют защищённую энергонезависимую память небольшого объёма, более сложные устройства могут иметь встроенный криптопроцессор (для аппаратной реализации шифрующих алгоритмов), часы реального времени. Аппаратные ключи могут иметь различные форм-факторы, но чаще всего они подключаются к компьютеру через USB. Также встречаются с LPT- или PCMCIA-интерфейсами.

Принцип действия электронных  ключей. Ключ присоединяется к определённому интерфейсу компьютера. Далее защищённая программа через специальный драйвер отправляет ему информацию, которая обрабатывается в соответствии с заданным алгоритмом и возвращается обратно. Если ответ ключа правильный, то программа продолжает свою работу. В противном случае она может выполнять определенные разработчиками действия, например, переключаться в демонстрационный режим, блокируя доступ к определённым функциям.

Существуют специальные  ключи, способные осуществлять лицензирования (ограничения числа работающих в сети копий программы) защищенного приложения по сети. В этом случае достаточно одного ключа на всю локальную сеть. Ключ устанавливается на любой рабочей станции или сервересети. Защищенные приложения обращаются к ключу по локальной сети. Преимущество в том, что для работы с приложением в пределах локальной сети им не нужно носить с собой электронный ключ.

На российском рынке наиболее известны следующие линейки продуктов (в алфавитном порядке): CodeMeter от WIBU-SYSTEMS, Guardant от компании «Актив», HASP от SafeNet, LOCK от Astroma Ltd., Rockey от Feitian, SenseLock от Seculab и д

9.10. Как определяется  коэффициент усиления многокаскадных  усилителей?

В большинстве случаев  одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

 рис.1

Коэффициент усиления усилителя  можно определить, исходя из структурной  схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) … (U 3 /U 2 )(U 2 /Uвх)=KnKn-1…K 2 K 1 или

Kобщ = K 1 K 2 …Kn e f( j 1+ j 2+…+ j n)

где K 1 ,…, Kn – коэффициенты усиления каскадов, j 1,…, j n – фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного  усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления

Kобщ = k вх K общ

где k вх =Zвх/(Zг + Zвх) – коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

K общ[дб] = K 1[дб] + … + K n[дб]

В аппаратуре связи для  компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют усилители с обратной связью и согласующие трансформаторы. 

10.1. Показать способы  классификации электронных генераторов

Генератор, или автогенератор – это самовозбуждающаяся система, в которой энергия источника питания постоянного тока преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы и частоты. Без сомнения, генераторы являются весьма важным элементом электроники.

Генераторы бывают:

низкочастотные (НЧ) –  до 100 кГц

высокочастотные (ВЧ) –  от 0,1 до 100 МГц

сверхвысокочастотные (СВЧ) – выше 100 МГц

По форме колебаний  генераторы делятся на гармонические (синусоидальные) и негармонические (импульсные). По способу возбуждения – с внешним возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы).

В чём же суть генерации  колебаний? Ненадолго обратимся  к физике. Из этой самой физики известно, что если к цепи, состоящей из параллельно соединенных кондера  и катушки индуктивности, кратковременно подключить источник постоянного тока (рис. 1), то будет происходить следующий процесс. Кондер зарядится до некоторого значения и после этого начнет разряжаться через катушку. Катушка в этот момент по сути будет накапливать энергию.

 

Рис. 1 – Создание колебаний в контуре

После того, как кондер разрядится (а катушка, соответственно, накопит энергию), процесс пойдет в обратном порядке, т.е. накопленная  в катушке энергия будет заряжать кондер и т.д. Другими словами, в этой цепи, которая называется параллельный колебательный контур, будут происходить колебания. В идеальном контуре эти колебания будут незатухающими, т.е. во времени будут продолжаться бесконечно. Но поскольку катушка имеет некое конечное сопротивление, да и кондер не подарок, в контуре будут потери энергии, и колебания, соответственно, будут постепенно затухать. На рис. 2 показана картина в реальном контуре.

 

Рис. 2 – Затухающие колебания в контуре

 

Рис. 3 – Структура автогенератора

Здесь мы видим какой-то треугольник и прямоугольник. УЭ – это усилительный элемент с коэффициентом передачи К, а ПОС – это положительная обратная связь с коэффициентом передачи β. Колебания в этой системе возникнут только при соблюдении двух условий. Их надо запомнить:

Условие баланса амплитуд:

 

βK≥1

 
Условие баланса фаз:

 

φ1 + φ2 = 2πn,

 

где n – 0, ±1, ±2,…

И ещё раз, генерация  колебаний происходит при выполнении двух условий: условия баланса фаз  и условия баланса амплитуд.

LC-генератор так называется, потому что в нём используется LC-контур. Это, в принципе, понятно.

В момент включения питания  в коллекторной цепи транзистора VT появляется коллекторный ток, заряжающий емкость С2 контура L2С2. В следующий  момент времени заряженный кондер разряжается  на катушку индуктивности. В контуре  возникают свободные затухающие колебания частотой f0 = 1 / 2π√L2C2.

Переменный ток контура, проходя через катушку L2, создает  вокруг неё переменное магнитное  поле, а это поле в свою очередь  наводит в катушке L1 переменное напряжение, которое вызывает пульсации тока коллектора транзистора VT. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нём усиленное переменное напряжение.

Рис. 2 – Индуктивная трехточечная схема

Элементы R1, R2, R3C3, обеспечивают режим работы по постоянному току транзистора VT, в коллекторную цепь которого включен колебательный  контур L'L «C2. Выходной сигнал снимается  с коллектора транзистора VT (или  с L»), сигнал ПОС – с катушки L'. Поскольку напряжения этих сигналов противофазны, то автоматически выполняется условие баланса фаз. Сигнал ПОС подается на базу транзистора через разделительный кондер, сопротивление которого на частоте генерации мало. Этот кондер предотвращает попадание постоянной составляющей в базовую цепь (через катушку). Общая точка L' и L'' подключена к источнику питания, сопротивление которого переменному току незначительно. Условие баланса амплитуд выполняют подбором числа витков L'L''.

Частота генерации определяется по формуле:

Трехточечные схемы  называются трехточечными, поскольку, если внимательно посмотреть на схему, контур подключается к трех выводам  транзистора (или другого усилительного прибора). Первая точка – это коллектор транзистора – нижний (по схеме) вывод контура, вторая – база – верхний вывод контура через кондер С1 и третья точка подключена к эмиттеру через источник питания, а точнее средний вывод контура через кондер С5, общий провод, цепь R3C3 подключен к эмиттеру.

Емкостная трехточечная схема

Емкостная трехточка  показана на рисунке 3.

Рис. 3 – Емкостная трехточечная схема

В этой схеме, аналогично предыдущей, режим по постоянному току определяют элементы R1, R2, R3, R4C2. В коллекторную цепь транзистора включен контур L1C3C4. Сигнал ПОС снимается с кондера С4 и через кондер С1 поступает в базовую цепь. С1 не пропускает высокое коллекторное напряжение на базу транзистора. Общую точку кондеров С3, С4 можно считать подключенной к источнику питания, поскольку его сопротивление переменному току незначительно.

Частота генерации определяется по формуле:

Очень важным требованием, предъявляемым к генераторам, является стабильность частоты генерируемых колебаний. Нестабильность частоты  зависит от многих факторов, а именно:

Изменение окружающей температуры

Изменение напряжения источника  питания

Механическая вибрация и деформация деталей

Шумы активных элементов

Нестабильность частоты  оценивается коэффициентом относительной  нестабильности:

 

 

Существует два способа  стабилизации частоты:

Параметрический способ стабилизации

Кварцевый способ стабилизации

При первом способе используется изготовление деталей из материалов, мало изменяющих свои свойства при  изменении температуры и других факторов. Используется экранирование и герметизация контуров, высокая стабильность источника питания, рациональность монтажа и прочее. Однако этим методом нельзя обеспечить высокую стабильность частоты. Относительный коэффициент нестабильности частоты колеблется в пределах 10-4 – 10-5.

Значительно большей  стабильности можно достичь, если применить  способ кварцевой стабилизации, основанный на применении кварцевого резонатора. Кварцевые пластины резонатора обладают пьезоэлектрическим эффектом, который, если кто забыл, бывает двух видов:

Прямой пьезоэффект  – при растяжении или сжатии кварцевой  пластины на её противоположных гранях возникают равные по величине, но противоположные  по знаку электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению, а знаки зависят от направления силы давления

Обратный пьезоэффект  – если к граням кварцевой пластины приложить электрическое напряжение, то пластина будет сжиматься или  расжиматься в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Эквивалентная схема  кварцевого резонатора показана на рис. 4, а зависимость реактивного сопротивления от частоты – на рис. 5.

 

Рис. 4 – Эквивалентная схема кварцевого резонатора

 

Рис. 5 – Зависимость характера сопротивления от частоты

из рисунка 4 видно, что  кварц может быть эквивалентом как  последовательного колебательного контура, так и параллельного. Это также видно из рисунка 5. На частоте f01 происходит резонанс напряжений. Эта частота определяется по формуле:

 

 

На частоте f02 происходит резонанс токов, и эта частота определяется по формуле:

 

Таким образом, кварцевый  резонатор можно включать вместо кондера, либо вместо катушки в контуре. При использовании кварцевого способа  стабилизации коэффициент относительной нестабильности достигает 10-7 – 10-10.