9_1_Методические_указания_по_выполнению_лабораторных_работ. Методические указания по выполнению лабораторных работ дисциплины Физические основы электроники
![]()
|
Лабораторная работа №9 Исследование процессов в полупроводниковом фотоприемнике Цель работы: изучение основных физических закономерностей, определяющих свойства фотоприемников. Исследование вольт-амперных, спектральных и инерционных характеристик фотоприемников. Методические указания к выполнению работы: 1. Установить фоторезистор и снять вольт-амперную характеристику фоторезистора. Для различных освещённостей построить график ВАХ. 2. Снять спектральную характеристику фоторезистора, используя различные светофильтры (табл.1). Определить ширину запрещённой зоны и материал фоторезистора. 3. Вычислить относительное RФ/RТ изменение сопротивления для различных напряжений. 4. Получить релаксационную кривую фототока при освещении фоторезистора прямоугольными световыми импульсами. Зарисовать кривые релаксации и определить постоянные времени нарастания и спада. Определить характер рекомбинации. 5. Проделать пункты 1-4 при повышенной температуре. Сделать выводы о влиянии температуры на характеристики фоторезистора. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Объяснить возможные переходы электронов при поглощении квантов света и рекомбинации. Что такое прямые и непрямые переходы электронов? Какими выражениями определяется красная граница фотопроводимости для собственных и примесных полупроводников? Назовите механизмы фотоэлектрически неактивного поглощения света. Что такое время жизни неравновесных носителей заряда? Объяснить процессы релаксации фотопроводимости при освещении прямоугольными импульсами света. Где используются фоторезисторы? Отчет должен содержать: 1.Экспериментальные данные. 2.Графики. Расчет ширины запрещенной зоны и времени релаксации. Выводы. Литература: [1]-C.92-112, [2]-C.-407-412. Методическая литература: [9]-C.3-31. Лабораторная работа №10 Исследование процессов в оптоэлектронных парах Цель работы: исследовать процессы работы диодной, тиристорной и транзисторной оптопар, а также оптопар с открытым оптическим каналом. Методические указания к выполнению работы: 1. 1. На приборе CHARACTERISCOPE-Z установите ручки управления в следующие положения: тумблер “OFF” в нейтральное положение; переключатель “HOR.VOLTS” в положение “0,1V”; переключатель “VERT.CURRENT” в положение “50мкА-0,1мкА”; переключатель “BASE STEPS” в положение “6”; тумблер ”STEPPOL” в положение “+”; кнопка “ONE CURVE” отжата; переключатель “STEP AMPLITUDE” в положение “5...10 мА”. 2. Включите питание прибора ручкой “SCALE ILLUM” и установите удобный уровень освещенности шкалы. Время прогрева прибора - не менее 5 минут. 3. После прогрева ручками “VERT.POS” и “HOR.POS” установите удобное положение начала координат ВАХ на экране прибора. 4. Тумблером “OFF” оптоэлектронную пару к прибору. 5. Переключателями “VERT CARRENT” и “STEP AMPLITUDE” установите удобный масштаб ВАХ по вертикали, соответствующий чувствительности исследуемого фотоприемника. Ручкой “OFSET” отрегулируйте положение начала координат для кривой семейства, соответствующей нулевому световому потоку Ф=0 (до момента остановки). 6. Для регистрации прямых ветвей семейства ВАХ фотоприемника переключатель “COLLECTOR SUPPLY” установите в положение “-АС”, для регистрации обратных ветвей семейства - в положение “+АС”. Значение тока через светоизлучатель I будет задаваться с шагом, соответствующим положению переключателя “STEP AMPLITUDE”. Световой поток светоизлучателя Ф=КI0, где К=...лм/мА. 7. Постройте семейство ВАХ фотоприемника I=f(U) при Ф=const, сопрягая прямые и обратные ветви семейства, соответствующие одинаковым значениям светового потока Ф. На семействе ВАХ фотодиодному режиму работы фотодиода соответствует область «обратное напряжение- обратный ток» (III квадрант). 8. Для фотодиодного режима выберите значения напряжения Uобр1 и графически постройте световую характеристику фотодиода IФ=f(Ф) при Uобр=Uобр1 , где IФ –фототок через фотодиод, совпадающий по направлению с Iобр. 9. Для выбранной рабочей точки на световой характеристике рассчитайте токовую чувствительность фотодиода S=IФ/Ф, мА/дм. На семействе ВАХ фотогальваническому режиму работы фотодиода соответствует область «прямое напряжение – обратный ток» (IV квадрант). 10. Для фотогальванического режима по ВАХ графически измерьте значения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода фотодиода для различных значений светового потока и постройте графики зависимостей Iкз=f(Ф) и Uхх=f(Ф). 11. Для кривой семейства ВАХ, соответствующей максимальному световому потоку, рассчитайте положение оптимальной рабочей точки фотодиода. Критерием оптимальности является максимальная мощность, отдаваемая фотодиодом в нагрузку в фотогальваническом режиме. 12. Для оптимальной рабочей точки рассчитайте оптимальное сопротивление нагрузки Rн опт и максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку Rмакс . В этом случае оптимальное сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника электрической энергии. Рассчитайте по ВАХ сопротивление базы и сравните с Rн опт . КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Виды оптоэлектронных пар. 2.Назвать и объяснить преимущества и недостатки оптопар. 3.Принцип работы фотодинистора. 4.Принцип работы фототранзистора. 5.Источники излучения в оптопарах. 6.Как происходит запись и стирание информации на оптическом диске? 7.Какие функции выполняет оптоэлектрический процессор? 8.Что такое ассоциативное оптическое ЗУ? 9.Функциональные возможности оптронов. 10.Датчики на основе оптронов. Отчет должен содержать: Экспериментальные данные. Графики. Расчеты. Выводы. Литература: [2]-C.-739-747. Методическая литература: [9]-C.42-51. Семестр 4. ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Лабораторная работа №11 Термоэлектронная эмиссия и прохождение тока в вакууме Цель работы: Изучение явления термоэлектронной эмиссии и закономерностей прохождения термоэлектронного тока в тормозящих и ускоряющих электрических полях, знакомство с методикой исследования термоэлектронной эмиссии. Методические указания к выполнению работы: 1. Перед началом работы преподаватель проверяет готовность студентов к занятиям. С теорией термоэлектронной эмиссии и методикой её исследования студенты предварительно знакомятся по рекомендованной литературе и настоящему руководству. 2. Сборка схемы эксперимента и все коммутации производятся в обязательном порядке при выключенной аппаратуре. Пользуясь принципиальной схемой (рис. 3.1) набрать макет для исследования эмиссии в тормозящих полях. Для этого необходимо собрать сначала накальную цепь. Установить напряжение накала 6.3±0.1 В. Дать прогреться лампе в течение 2-3 мин. После установления показаний анодного вольтметра начать измерения. Форма таблицы данных произвольная, рекомендуется сразу в таблицу записывать импульсное значение тока, т.е. увеличенное в 1000 раз. Повторить измерения ещё для двух значений напряжения накала Uн2=5.5 В, Uн3= 5 В, дав после каждого изменения напряжение накала время 2-3 мин., чтобы установился тепловой режим катода лампы. После каждой установки напряжения накала измерить соответствующий этому напряжению ток накала. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Принципиальная схема установки и её краткое описание. Таблица измерений и графики зависимости Iа=f(Ua) в тормозящих полях Ua<0 в обычных и логарифмических ( ![]() Таблица измерений и графики зависимости Iа=f(Ua) в ускоряющих полях Ua>0 для трёх значений напряжений накала 6.3, 5.5 и 5 В. Для напряжения накала 6.3 В построить также логарифмическую зависимость ![]() ![]() Используя полученные данные решить следующие задачи: 1). Найти температуру катода при Uн=6.3 В. 2). По соотношению (3.2) найти температуру для Uн=5.5 В. 3). По точкам перегиба Iа=f(Ua) найти ток термоэмиссии при Uн=6.3 и 5.5 В и, решая совместно для двух известных температур уравнение Козляковской-Тягунова (2.8), дать оценки работы выхода φ0 и константы В. Площадь катода 6X2П принять равной Sк=0.2 см2. Сравнить полученные значения со справочными и указать возможные причины расхождения. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется термоэлектронной эмиссией? 2. Какова природа сил, удерживающих электрон в твердом теле? 3. Что понимается под работой выхода электрона из металла и в чем ее отличие от полной работы выхода? 4. Как выглядит графически, распределение потенциала на границе металл-вакуум? (Дать пояснения). 5. Что представляет собой оксидный катод, и в чем заключается его основное преимущество по сравнению с металлическим катодом? 6. Какие факторы определяют величину тока эмиссии металлического и оксидного катодов? 7. Почему работа выхода у полупроводников p-типа больше чем у полупроводников n-типа? 8. Как измерить температуру катода и каковы возможные причины погрешностей измерения? 9. Как определить ток эмиссии катода? 10. Какие участки содержит полная ВАХ диода? (Дать пояснения). 11. Что такое эффект Шоттки? 12. В чем заключаются основные особенности экспериментального изучения оксидного катода? Отчет должен содержать: Экспериментальные данные. Графики. Расчеты. Выводы. Литература: [7]-C.92-112. Методическая литература: [14]-C.8-16. Лабораторная работа №12 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ Цель работы: ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления. Методические указания к выполнению работы: 1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе по изучению параметров плазмы низкого давления в разряде с накаленным катодом в парах ртути. Изучить схему лабораторной установки, состоящей из блока накала катода, блока разрядного напряжения, блока управления потенциалом зонда. Ознакомиться с расположением органов управления. 2. Прогреть катод в течение пяти минут. Ток накала при этом поддерживать постоянным. Включить анодную цепь. Установить заданную величину разрядного тока. (При выключении схемы сначала снимается анодное напряжение, а потом выключается цепь накала.) 3. Снять вольтамперные характеристики цилиндрических зондов изменяя потенциал зонда в пределах от – 30 В до 0 при нескольких значениях разрядного тока, указанных преподавателем. Диаметр зондов 1 мм, высота рабочей части 10 мм, расстояние между зондами 30 мм. Для регистрации тока в цепи зонда используется несколько милли- и микроамперметров с разными пределами измерений, так как при снятии зондовых характеристик ток изменяется на несколько порядков и, кроме того, меняет направление своего движения. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое несамостоятельный разряд и как он возникает. 2.Укажите, от каких факторов зависит ток в несамостоятельном разряде. 3.Сформулируйте условие перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный. 4.Нарисуйте кривую Пашена и объясните ее ход. 5.Перечислите типы самостоятельных разрядов и укажите условия возникновения каждого из них. 6.Сформулируйте условия возникновения искрового разряда и дайте его феноменологическое описание. 7.Почему искровой разряд имеет прерывистый характер и сопровождается характерными звуковыми эффектами. 8.Укажите области применения искрового разряда в технике и технологии. 9.Сформулируйте условия возникновения дугового разряда и дайте его феноменологическое описание. 10.Укажите области применения дугового разряда в технике и технологии. 11.Сформулируйте условия возникновения тлеющего разряда и дайте его краткое феноменологическое описание. 12.Укажите особенности катодных областей тлеющего разряда. 13.Чем характеризуется нормальный тлеющий разряд и при каких условиях он существует. 14.Укажите применения катодных областей тлеющего разряда в технике и технологии. 15.Сформулируйте условия возникновения коронного разряда и дайте его феноменологическое описание. 16.Укажите области применения коронного разряда в технике и технологии. 17.Высокочастотные разряды и их применение. 18.Сверхвысокочастотные разряды и их применение. 19.Сформулируйте понятия плазмы и ее разновидностей (высокотемпературная, низкотемпературная, изотермическая, неизотермическая). СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Цель работы. Схема лабораторной установки. Таблицы экспериментальных данных. Построенные зависимости ![]() ![]() Рассчитанные параметры плазмы: потенциал плазмы в месте нахождения зондов, температуру электронного газа, концентрацию заряженных частиц, направленную скорость движения, продольную напряженность поля в положительном столбе. Выводы по результатам исследований. Литература: [7]-C.92-112. Методическая литература: [13]-C.5-10 Литература для лабораторных работ Основная Игумнов В.Н. Физические основы микроэлектроники - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -296 с. Гуртов В.А. Твердотельная электроника-М.: Техносфера,2005.-512с. Спиридонов О.П. Физические основы твердотельной электроники-М, :ВШ,2008.- 191с. Дополнительная Игумнов В.Н. Основы высокотемпературной криоэлектроники - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. -188 с. Приборы физической электроники-М.: ВШ,2008.- 229 с. Щука А. А. Электроника. Учебное пособие. – М. :ВШ,2008.- 629 с. Светцов В.И. Вакуумная и плазменная электроника-Иваново : Иван. гос. хим.-технол. ун-т,2006-172с Учебно-методическая Игумнов В.Н. Физические основы микроэлектроники. Практикум - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. -204 с. Физические процессы в биполярном транзисторе - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -54 с. Игумнов В.Н. Физические основы микроэлектроники и электроники- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -54 с. Физические основы оптоэлектроники- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. -52 с. Лаврентьев В.В., Атаманов В.Н. Тиристоры в устройствах промышленной электроники: Метод. указания / Под ред. А.Б. Красовского. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э .Баумана, 1997. - 16 с., ил. Исследование газоразрядной плазмы методом зондов - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. -52 с. Термоэлектронная эмиссия и прохождение тока в вакууме :Методические указания к выполнению лабораторной работы -Томск: изд. ТПУ, 2007. - 19 с. Электронные образовательные ресурсы: Интернет-лаборатория «ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ» www.pilab.ru. 2012 |