Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Определить во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения p-n-перехода

Структура металл-диэлектрик-полупроводник В МДП-транзисторе с поликремниевым затвором рассчитать и построить зависимость порогового напряжения как функции концентрации примесных атомов (ND или NA) в подложке из кремния соответствующего типа проводимости. Диэлектрик – SiO2. Влиянием поверхностных состояний на границе раздела "диэлектрик-полупроводник" пренебречь.

Пример. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I0=25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R0; б) дифференциальное сопротивление r.

Пример. Идеальный МДП-конденсатор сформирован на основе кремниевой подложки р-типа с концентрацией NA = 1015 см-3. Диэлектрический слой имеет толщину 100 нм. Разность работ выхода электрона из металла и полупроводника составляет qjМП = - 0,9 эВ. Плотность заряда на границе раздела Qss = 8×10-8 Кл/см-2. Вычислите максимальную толщину обедненной области Wmax , емкость диэлектрического слоя, заряд в обедненной области (Qs), пороговое напряжение и минимальную емкость МДП-конденсатора, а также его пороговое напряжение с учетом влияния напряжения плоских зон.

Квантовая физика возникла и в основном сформировалась в первой трети ХХ столетия. Возникновение и развитие квантовой физики связано с именами М. Планка, А. Эйнштейна, Л.де Бройля, Н. Бора, В. Гейзенберга, Э. Шредингера, В. Паули. Значительный вклад внесли советские физики Л.Д. Ландау, В.А. Фок, А.Ф. Иоффе и др.

Кристаллы. Элементы кристаллографии

Описание установки и методика измерений Экспериментальная установка состоит из обычной лампочки накаливания с вольфрамовой нитью, светофильтра и приемника излучения (фоторезистора)

Дистанционное измерение температуры нагретых светящихся тел яркостным пирометром

Методика измерения температуры вольфрама яркостным пирометром Эксперименты с излучением нечерных тел (вольфрам и другие металлы, применяемые в качестве нитей накаливания в осветительных приборах) показывают на то, что излучение нечерных тел может иметь селективный характер.

Методика снятия ВАХ фотоэлемента Для снятия вольт-амперных характеристик ФЭ при различных величинах светового потока на ФЭ подают напряжение постоянного тока и измеряют протекающий через него ток. При приложении положительного напряжения («прямого напряжения») на анод ФЭ снимается прямая ветвь ВАХ, а при подаче отрицательного напряжения («обратного напряжения») снимается обратная ветвь.

Наблюдение спектров испускания и измерение длин волн в спектрах ртути и водорода, ознакомление с устройством и работой спектрометра-монохроматора.

Физика Примеры решения задач контрольной, курсовой работы

Таким образом, решения уравнения Шредингера приводят к условиям квантования Бора. Однако квантовая механика дает схему атомных энергетических уровней с такой общностью и точностью, которые совершенно недосягаемы для теории Бора.

Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры; определение длины свободного пробега электронов в металле и ширины запрещенной зоны полупроводника.

Измерить фон вторичного космического излучения, ознакомиться с методами регистрации ионизирующего излучения.

Изучение волновых свойств и особенностей движения микрочастиц

Цель работы

Изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольт-амперных характеристик вакуумного фотоэлемента; определение постоянной Планка.

603.2. Разделы теории

Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Работа выхода. Применение фотоэффекта. [1. Гл.2, §9]; [2. Гл.IV, §201 - 204]

603.3. Приборы и принадлежности

Экспериментальная установка. Вакуумный фотоэлемент. Источник света. Светофильтры. Источник питания. Регистрирующие приборы.

603.4.Теоретическое введение

Внешний фотоэффект - это испускание электронов (фотоэлектронов) с поверхности тела под воздействием света. Фотоэлектроны при движении во внешнем электрическом поле создают фототок. Зависимость этого фототока от напряжения на фотоэлементе нелинейна. Для исследования внешнего фотоэффекта используют вакуумные фотоэлементы. Фотоэлемент состоит из стеклянной трубки - колбы, в которой создан высокий вакуум. Часть внутренней поверхности колбы покрыта тонким слоем металла, который служит фотокатодом. В центре колбы расположен анод. Электроны, вырываемые светом из катода, устремляются под действием электрического поля к аноду. Электрический ток, обусловленный этими электронами, называется фототоком. Фототок увеличивается при увеличении напряжения лишь до определенного предельного значения - фототока насыщения Iн. Особенностью вольт - амперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента (рис.603.1) является наличие тока, темнового тока при нулевой разности потенциалов (часть электронов достигает анода).

По закону Столетова, при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Еэ катода:

~ Еэ.

При подаче на анод фотоэлемента отрицательного напряжения фототок постепенно убывает, обращаясь в нуль при некотором напряжении, называемом запирающим. Существование фототока при отрицательных напряжениях на аноде означает, что фотоэлектроны вылетают из катода с некоторой, вообще говоря, различной скоростью (кинетической энергией) и это распределение скорости зависит от частоты падающего, но не от его интенсивности. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов umax связана с задерживающей разностью потенциалов Uз соотношением

½ mu 2max = e Uз, (603.1)

где e и m – заряд и масса электрона соответственно.

Рис. 603.1

Для каждого фотокатода существует красная граница внешнего фотоэффекта - максимальная длина световой волны l0, при которой еще возможен фотоэффект. Длина волны l0 зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Красная граница фотоэффекта связана с работой выхода электронов Авых соотношением

hc/l0 = Авых, (603.2)

где h и c – соответственно постоянная Планка и скорость света в вакууме.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, отображающее закон сохранения энергии, имеет вид

hn = Aвых + ½ mu 2max,

или с учетом (603.1)

hn = Aвых + eUз. (603.3)

Рис.603.2

Зависимость задерживающей разности потенциалов Uз от частоты n света

Uз = (h/e) n - Aвых/e

есть уравнение прямой линии (рис. 603.2). Экстраполяция прямой на рис. 603.2 до пересечения с осью абсцисс дает граничную частоту n0 = Aвых/h фотоэффекта, а тангенс угла наклона прямой к оси частот

tg a = dUз/dn = h/e

определяется только постоянной Планка и зарядом электрона. Запишем уравнение Эйнштейна для частот n1 и n2:

hn1= Aвых + eUз1, (603.4)

hn2 = Aвых + eUз2. (603.5)

Вычитая из уравнения (603.4) уравнение (603.5), получим формулу для расчета постоянной Планка:

 (603.6)

603.5. Описание лабораторного стенда

Для измерения основных свойств фотоэффекта используется лабораторный стенд, упрощенная функциональная схема которого приведена на рис. 603.3.

Стенд состоит из фотоэлемента ФЭ, источника света на лампе L, стабилизированных источников питания ИП1 и ИП2 на +200 В и –2 В соответственно, переключателя напряжения S3 «ПРЯМОЕ 0… 200 V» - «ОБРАТНОЕ 0…2 V», потенциометров R1 – «ГРУБО» и R2 – «ТОЧНО», с помощью которых производится установка напряжения на аноде фотоэлемента Uфэ, цифрового вольтметра PV1, измеряющего это напряжение, измерителя тока через ФЭ Iфэ, состоящего из цифрового вольтметра PV2, резистивных шунтов R3, R4, R5 и переключателя S4 – «ТОК ФЭ», имеющего три положения «2 μА», «20 μА» и «200 μА», источника питания ИП3, необходимого для питания

Рис. 603.3

лампы L с установленными в нём переключателями S1, S2 «СВЕТОВОЙ ПОТОК», c помощью которых можно изменять напряжение питания лампы, а следовательно, и световой поток, проходящий через соответствующий светофильтр и попадающий на фотоэлемент. Светофильтры установлены на диске, который можно вращать с помощью переключателя «СВЕТОФИЛЬТР», выведенного на переднюю панель. Устанавливая диск в соответствующее положение, т.е. устанавливая на пути светового потока различные светофильтры, можно исследовать зависимость фототока от длины волны или частоты света.

Стенд также содержит сетевой трансформатор, батареи для питания цифровых вольтметров, вентилятор для охлаждения лампы и другие узлы, не показанные на схеме.

Передняя панель стенда показана на рис. 603.4.

Рис. 603.4

В верхней части панели находятся отсчётные индикаторы цифровых вольтметров PV1 – измерителя напряжения Uфэ и PV2 – измерителя тока Iфэ.

В центре панели находится переключатель светофильтров, с помощью которого можно вращать диск со светофильтрами. Длины волн фильтров указаны для соответствующих положений переключателя. В положении «БФ» фильтр отсутствует.

В нижней части панели находится переключатель пределов измерителя тока ФЭ «ТОК ФЭ», имеющий три положения «2 µА», «20 µА» и «200 µА», причём при переключении диапазонов изменяется и положение запятой на индикаторе цифрового измерителя тока.

В нижней части панели также находятся элементы необходимые для установки напряжения на ФЭ: переключатель «ПРЯМОЕ 0… 200 V», «ОБРАТНОЕ 0…2 V», потенциометры, которыми устанавливают напряжение «ГРУБО» и «ТОЧНО», при этом отсчет величины напряжения производится по индикатору цифрового измерителя напряжения. При переключении с прямого напряжения на обратное изменяются пределы цифрового вольтметра, положение запятой на его индикаторе и знак полярности.

В верхней правой части панели находятся переключатели величины светового потока. Если левый переключатель находится в верхнем положении, то будет включён световой поток Ф1, а при включённом правом переключателе световой поток -- Ф2. Если включить оба переключателя, то световой поток будет Ф3, причём

Ф3 > Ф2 > Ф1. Если оба переключателя находятся в нижнем положении, то лампа выключается.

В нижней правой части панели находится выключатель «СЕТЬ» с подсветкой во включённом состоянии.

На задней панели стенда находится сетевой предохранитель и ввод сетевого шнура. Питание стенда производится от сети переменного тока 220 В с частотой 50 Гц. Цифровые приборы, установленные в стенде питаются от батарей 9 В.

Внимание! Диск со светофильтрами имеет относительно большой диаметр и обладает большой инерционностью, поэтому для предотвращения повреждения стенда и для надежной фиксации диска в соответствующих положениях необходимо плавно вращать ручку переключателя «СВЕТОФИЛЬТР».

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Общие положения

Понятие ²интегральные²означает, что на одном полупроводниковом кристалле с помощью лазерной обработки, напыления, лигирования и других технологических процессов реализуется большое количество элементов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы. Все элементы выполнены на одном основании, поэтому очень велика температурная стабильность работы элементов.

Понятие ²микросхема² означает, что все элементы имеют очень малые размеры, оперируют малыми напряжениями и токами: (токи - доли mA... mA, напряжения - единицы и десятки B). Очень распространены напряжения питания 5B,15B.

Различают аналоговые и цифровые микросхемы. Аналоговые: операционные усилители, компараторы, перемножители. Цифровые: логические элементы, элементы с памятью и др.

Аналоговые микросхемы. Операционные усилители

На изображении операционного усилителя Вх1-инвертирующий, Вх2 -неинвертирующий. На изображении операционного усилителя могут быть отражены еще некоторые выводы: выводы питания, вывод балансировки (установка 0 на выходе ОУ), выводы коррекции частотной характеристики. У некоторых ОУ выводы коррекции могут отсутствовать, т.к.они имеют внутреннюю коррекцию. Обозначение ОУ: КХХХУДY. XXX -три цифры серии, Y-разработка в серии. Очень популярный ОУ: К 140УД 7.

Свойства ОУ

1. Коэффициент усиления Ку®¥. Ку=50000...500000.

Ку=DUвых/DUвх@Uвых/Uвх.

2. Входное сопротивление Rвх®¥.

Rвх=DUвх/DIвх.

Полоса рабочих частот бесконечна.

Выходное сопротивление Rвых®0.

 

Практическая трактовка свойств ОУ

Обычно Uп£15 В, Uвых<Uп. При Uп1,2=±15В: Uвых.max=±10¸12В. Тогда

Uвх=Uвых/Ку=10/ (100000) =0,0001В=100mkВ@0.

Это означает, что напряжение между входами ОУ близко к нулю. Примечание: это свойство справедливо, пока ОУ находится в линейном режиме, т.е. Uвых<Uвых.max =12...13В.

DIвх=DUвх/Rвх@0/¥=0,

т.е. входные выводы ОУ тока не потребляют: Iвх1=Iвх2=0. 

ОУ является безинерционным устройством.

Выходное напряжение ОУ не зависит от нагрузки.


На главную