Контрольная работа по "Физике"

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.