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

Лабораторные работы по электронике

Порядок выполнения работы

 Ознакомиться с экспериментальной установкой.

  Включить питание линейки полупроводниковых лазеров 1.

 Съюстировать оптическую схему (линзу 2, матрицу 3, линзу 4 и линейку 5) так, чтобы:

а. - линейка лазеров 1 находилась в передней фокальной плоскости линзы 2;

б. - излучение лазеров проходило через центры элементов матрицы 3 и фокусировалось линзой 4 в плоскости фотодиодов линейки 5.

Измерить индикатрису излучения каждого из полупроводниковых лазеров (т.е. интенсивность излучения, формируемую каждым из полупроводниковых лазеров линейки 1 и цилиндрическими линзами 2 и 4 в плоскости фотодиодов 5), для чего

- вывести из схемы матрицу транспарантов 3 (W1)

 - поочередно перекрывая экраном пучок излучения двух из трех лазеров, пользуясь переключателем для фотодиодов и мультиметром, измерить (в относительных единицах) значения интенсивности I1к(j)A на каждом ФД. Измеренные значения занести в таблицу 1а.

Измерить распределение интенсивности каждого лазера в плоскости ФД в присутствии матрицы транспарантов 3 (W1), для чего

- установить матрицу транспарантов 3 в схему так, чтобы надпись «верх» была направлена в сторону лазеров

- поочередно перекрывая пучок излучения двух из трех лазеров, пользуясь переключателем для фотодиодов и мультиметром, измерить (в относительных единицах) значения интенсивности на каждом ФД (I1к(j)A*). Измеренные значения занести в таблицу 2а.

Измерить интенсивности излучения, соответствующие компонентам вектора В, для чего

 - завести в схему ВМУ излучение всех 3-х лазеров линейки 1

 - пользуясь переключателем для фотодиодов и мультиметром, измерить (в относительных единицах) значения интенсивности на каждом ФД (I1jb). Измеренные значения занести в таблицу 3а.

Провести измерения по п.п. 5-6 для других матриц (W2, W3),
для чего

- перевернуть матрицу транспарантов 3 (W1)

  А) на 1800 вокруг оптической оси относительно исходного положения

 Б) на 1800 вокруг вертикальной оси относительно исходного положения

- повторить пункты 5-6. Данные занести в таблицы 2б,в-3б,в аналогичные таблицам 2а-3а.

Обработка экспериментальных данных

Построить график индикатрисы излучения для каждого из лазеров линейки 1 по данным п. 4. раздела «Порядок выполнения работы» (пример построения см. на рис.2)

Определить элементы матриц W1 ,W2 W3 по формуле

  wkj → τkj = I1к(j)A*/ I1к(j)A . (6)

 Результаты занести в таблицы 4а,4б, 4в

Рассчитать для матриц W1, W2, W3 поправочные коэффициенты Кkj по формуле (1). Результаты занести в таблицы 5а,5б, 5в.

Рассчитать ожидаемые значения интенсивности излучения в плоскости ФД (I1jb)расчет для матриц W1 ,W2, W1 по формуле

 в1jрасчет → = I1к(j)A ·τkj . (7)

  Данные занести в таблицы 3а,3б,3в. Сравнить с измеренными по п.4. раздела «Порядок выполнения работы» значениями I1jb. Оценить погрешность измерения I1jb.

5. Определить скорректированные с учетом неравномерности индикатрисы излучения лазеров значения интенсивности I1jb*, соответствующие компонентам вектора В, для матриц W1 ,W2, W1

по формуле (2).

 Данные занести в таблицу 6а(б, в).

Сравнить величину компонентов в1j* (в1j*→ I1jb*) вектора В, вычисленного скорректированной схемой ВМУ (с учетом поправочных коэффициентов Кk(j)) со значениями в1j→ I1jb (которым соответствуют значения интенсивности I1jb), определенными в схеме ВМУ, не учитывающей неравномерность индикатрисы излучения п/п лазеров.

Таблица 1. Данные для посроения индикатрис излучения полупроводниковых лазеров (I1к(j)A(j)). 

 j 

I1к(j)A,отн.ед.

Рис.2.Пример построения индикатрис излучения лазеров.

Таблица 2а (б, в). Распределение интенсивности излучения лазеров за матрицей транспарантов.

 j 

I1к(j)A*,отн.ед.

Таблица 3а (б, в). Компоненты вектора В ( в1j→ I1jb).

 j 

I1jb,отн.ед.

(I1jb)расчет,отн.ед.


Табл.4а (б, в). Элементы матрицы W (wkj).

 j 

 к

Таблица 5а (б, в). Поправочные коэффициенты Кkj.

 j 

 к

Таблица 6а (б, в). Компоненты вектора В (в1j*→ I1jb*), вычисленные в скорректированной и нескорректированной схемах ВМУ.

 j 

I1jb*,отн.ед.

 I1jb,отн.ед.

Контрольные вопросы

1. В каких областях информатики используется операция умножения вектора на матрицу? Чем обусловлено ее широкое применение?

2. Раскройте формулу для произведения двух матриц. Размер матриц выберите самостоятельно.

3.  Как характер индикатрисы излучения используемых в схеме ВМУ лазеров влияет на результаты вычислений.

 Литература

Г.Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Лань, 2003.

В.Н. Васильев, А.В. Павлов, «Оптические технологии искусственного интеллекта», СПбГУ ИТМО, 2005.

П.А. Белов, В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, С.А. Козлов,
А.В. Павлов, К.Р. Симовский, Ю.А. Шполянский, «Оптические процессоры: достижения и новые идеи», Сб. «Проблемы когерентной и нелинейной оптики» под ред. И.П. Гурова и
С.А. Козлова, СПбГУ ИТМО, 2006. 

Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа

 Статические характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа. Характеристики Ic(Uси) называются выходными стоковыми характеристиками, характеристика Ic(Uзи) называется входной характеристикой управления.

В общих чертах стоковые характеристики полевого транзистора с p-n переходом похожи на коллекторные характеристики биполярного транзистора: оба транзистора представляют собой источник фиксированного тока на большей части диапазона рабочих напряжений. Другими словами, если напряжение затвор-исток Uзи зафиксировать на определенном уровне, то, начиная с некоторых значений, увеличение напряжения сток-исток Uси оказывает незначительное влияние на ток стока Ic. Это относится к области выходных характеристик справа от пунктирной линии – это область насыщения.

Когда напряжение Uси начинает расти от нуля (для транзистора с каналом n-типа), канал ведет себя вначале как резистор, сопротивление которого определяется шириной канала, оставленного в кристалле обедненным слоем. Когда достигает нескольких сот милливольт, начинает сказываться обратное смещение на затворе и обедненный слой расширяется в основном у стока до тех пор, пока не останется очень узкий проводящий канал. Наибольшее сечение канала находится возле истока, где Up-n=Uзи, а наименьшим – возле стока, где обратное (отрицательное) напряжение p-n перехода равно Up-n=Uзи-Uси (следует помнить, что Uзи<0, а Uси>0).

Дальнейшее увеличение Uси приводит к еще большему сужению канала (увеличению его сопротивления), почти точно уравновешивающему увеличение Uси. При этом в самом узком месте возле стока всегда остается малое сечение канала, пропускающее ток, т.е. происходит ограничение тока канала. Это, так называемое, насыщение канала. Напряжение, при котором оно наступает, называется напряжением насыщения Uси нас. При этом ток равен значению Ic нач. Так же, как и в случае биполярного транзистора, в области насыщения имеется небольшой положительный наклон.

Описанные процессы отражены на выходных характеристиках.  Из условия Up-n=Uзи отс=Uзи-Uси нас находим:

Uси нас=Uзи-Uзи отс=|Uзи отс|-|Uзи|.

Выражение для тока стока имеет вид:

Iс=Ic нач(1–Uзи/Uзи отс)2.

Это парабола, график которой является входной характеристикой и имеет вид:

 

Если в полевом транзисторе при Ucи>Ucи нас изменять напряжение на затворе от 0 до |Uзи|>|Uзи отс|, то толщина суженного участка канала будет уменьшаться до нуля и ток канала станет равным нулю, а в цепи стока протекает некоторый малый остаточный ток (ток отсечки). Он состоит в основном из обратного тока p-n перехода, протекает от стока на затвор и пренебрежительно мал (обычно имеет значение несколько микроампер).

При большом напряжении Ucи, когда Ucи+|Uзи|>Uпроб в обратновключенном управляющем p-n переходе вблизи стока возникает электрический (лавинный) пробой и ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

При Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax;  при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач – начальный ток стока; напряжение Uотс - напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА.

На выходных характеристиках также может быть проведена нагрузочная прямая, как и у биполярных транзисторов.

Типы транзисторов с p-n переходом: КП103 - с каналом n -типа, КП 302, КП 303, КП307 - с каналом p -типа.

Полевые транзисторы могут работать как в усилительном, так и в ключевом режимах.


На главную