Тема 2. Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона – 3 часа.

Тема 1. Введение – 1 час.

Роль и место дисциплины «Квантовая и оптическая электроника» в системе подготовки студентов направления 210100.62 «Электроника и микроэлектроника». Цели и задачи курса.

Тема 2. Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона – 3 часа.

Влияние корпускулярно-волнового дуализма на способы описания электромагнитного излучения. Энергетические и фотометрические характеристики излучения.

Тема 3. Физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами – 6 часов.

Энергетические состояния квантовых систем. Оптические переходы. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения. Коэффициенты Эйнштейна и связь их с собственными волновыми функциями частиц. Спектры излучения, структура спектров. Ширина, форма и уширение спектральных линий, связанное со спонтанными переходами, взаимодействием атомов и с эффектом Доплера. Оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями.

Тема 4. Усиление оптического излучения – 5 часов.

Активные среды, механизм и способы создания инверсной населенности. Насыщение усиления в активных средах. Скорости спонтанного и индуцированного излучений. Влияние показателя преломления. Расчет коэффициента усиления.

Тема 5. Генерация оптического излучения – 6 часов.

Требования, предъявляемые к активным средам. Типы активных сред. Процессы накачки. Нелинейные оптические эффекты. Основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения. Пассивные оптические резонаторы. Одномодовая и многомодовая генерация. Основные типы когерентных источников оптического излучения: твердотельные, газовые, жидкостные, химические и полупроводниковые лазеры. Свойства лазерных пучков. Источники некогерентного излучения – электролюминесцентные и полупроводниковые. Применение источников оптического излучения в средствах отображения информации.

Тема 6. Устройства для регистрации оптического излучения – 5 часов.

Фоторезисторы. Кремниевые p-i-n фотодиоды и диоды с барьером Шоттки. Лавинные фотодиодные детекторы. Импульсные и частотные характеристики фотодиодов. Фототранзисторы, фототиристоры и фотосимисторы. Шумы фотодетекторов.

Тема 7. Устройства для модуляции, отклонения, трансформации и обработки оптического излучения - 8часов.

Пространственное отклонение лазерного пучка. Акустооптические и электрооптические дефлекторы. Пространственная модуляция светового пучка. Управляемые транспаранты на жидких кристаллах. Понятие оптического процессора. Фурье- образ пространственного оптического сигнала. Высокочастотная и низкочастотная пространственная фильтрация. Распознавание объектов. Преобразователи спектра излучения. Оптроны.

Тема 8. Системы передачи оптического излучения – 5 часов.

Открытые и закрытые системы передачи информации. Физические принципы функционирования волоконных световодов. Затухание и искажение сигнала. Одномодовые и многомодовые световоды. Градиентные волноводы. Конструктивные особенности волоконно-оптических линий связи.

 

2.2 Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах (26 часов).

1. Исследование гелий-неонового лазера (5часов):

- исследование устройства накачки;

- измерение интенсивности излучения.

2. Исследование полупроводникового инжекционного лазера (5 часов):

- исследование схемы стабилизации температуры кристалла;

- исследование устройства, реализующего амплитудную модуляцию излучения;

- измерение интенсивности излучения.

3. Исследование светодиодов (4 часа).

4. Исследование фотодетекторов (7 часов):

- снятие вольтамперных характеристик фоторезистора, определение чувствительности и темнового сопротивление;

- исследование фотодиода в диодном и гальваническом режимах работы, определение чувствительности и темнового тока;

- составление схем замещения фотодетекторов по результатам экспериментов.

5. Исследование оптронов (5 часов):

- снятие передаточных характеристик диодного, резисторного, транзисторного и тиристорного оптронов;

- определение времени нарастания и спада для исследуемых оптронов в импульсном режиме.

 

2.3 Содержание и объем самостоятельной работы студентов (55 часов).

Подготовка к лекциям и лабораторным работам – 29 часов.

Подготовка к контрольным работам – 12 часов.

Выполнение творческого задания – 7 часов.

Подготовка к экзамену - 7 часов.

 

 

3 Учебно-методические материалы по дисциплине

3.1 Основная литература

1. Игнатов А.Н. Микросхемотехника и наноэлектроника. Оптоэлектроника и нанофотоника [Электронный ресурс]: учеб. пособие.- СПб.: Лань, 2011.- 528с.- Режим доступа:http//portal magtu.ru, электронная библиотечная система «Лань».- Загл. с экрана.

2. Киселёв Г.Л. Квантовая и оптическая электроника [Электронный ресурс]: учеб. пособие.- СПб.: Лань, 2011.-320с.- Режим доступа:http//portal magtu.ru, электронная библиотечная система «Лань».- Загл. с экрана.

3.2 Дополнительная литература

1. Оокоси Т. Оптоэлектроника и оптическая связь: Пер. с японск.- М.: Мир, 1988.- 96 с.: ил.

2. Электронные приборы: Учебник для ВУЗов / В.А. Дулин и др.; Под. ред. Г.Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 496 с.: ил.

3. Шимони К. Физическая электроника: Пер. с нем. – М.: Энергия, 1977. – 607с., ил.

4. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для ВУЗов. – М.: В.Ш., 1982. – 608с., ил.

5. Звелто О. Физика лазеров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. – 373с.: ил.

6. Апаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. – М.: В.Ш., 1988. – 273 с.: ил.

7. Петрунькин В.Ю., Пахомов Л.Н. Приборы квантовой электроники: Учеб. пособие/ Под ред. Проф. М.М. Бутусова. – Л.: Изд-во Ленингр. унив-та, 1983. – 252 с.: ил.

8. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 208 с.: ил.

9. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 504 с.: ил.

10. Дудкин В.И. Квантовая электроника. Приборы и их применение: Учеб. пос. / В.И. Дудкин, Л.Н. Пахомов.- М.: Техносфера, 2006.- 433с.

11. В мире инноваций. Органические светоизлучающие транзисторы как альтернатива органическим светодиодам. Сверхскоростной квантовый интернет на оптических транзисторах. «Радио», 2010, №11, с. 6,40.

12. Юшин А.И. Мощные светодиоды: особенности, конструкции, перспективы. «Радио», 2012, №2, с.31-32.

13. Мартинес-Дуарт Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Дж.М. Мартинес-Дуарт, Р.Дж. Палма, Ф. Агулло-Руеда. – М.: Техносфера, 2007.- 368с.

14. Розеншер Э. Оптоэлектроника / Э. Розеншер, Б. Винтер.- М.: Техносфера, 2006.- 592с.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНАЦИОННЫМ БИЛЕТАМ

 

1. Что представляет собой свет как физическое явление с точек зрения Ньютона, Френеля, Максвелла?

2. Как понимать выражение «корпускулярно-волновой дуализм»? Каковы примеры его проявления?

3. Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона.

4. Что называют фазовой скоростью излучения, и в какой связи она находится со скоростью света?

5. Что называют волновым вектором, волновым числом электромагнитного излучения

6. Какой импульс имеет фотон, обладающий энергией 2,3эВ?

7. Какие выводы можно сделать из того обстоятельства, что электромагнитное излучение метрового диапазона огибает препятствия, а оптического диапазона – нет?

8. Почему частицы макро и даже микромира не обнаруживают волновых свойств, а волны метрового диапазона – корпускулярных?

9. Что называют осциллятором? Приведите примеры осцилляторов.

10. Частица песка массой 0,1г летит в струе пескоструйной машины со скоростью 100м/с. Какова ее длина волны?

11. Физический механизм поглощения света веществом, закон Бугера-Ламберта.

12. Определить частоту и энергию фотона источников оптического излучения с длиной волны λ=0,6328мкм (гелий-неоновый лазер); λ=10,6мкм (лазер на углекислом газе).

13. Уменьшение оптической мощности излучения при прохождении через какую-либо среду можно выразить через коэффициент поглощения α, имеющий размерность [м^-1] и находимый в соответствии с законом Бугера. На практике часто используют коэффициент поглощения (потерь), выраженный в [дБ/км]. Исходя из этого, найти соотношение между α, выраженном в [ м^-1] и коэффициентом поглощения, выраженном в [дБ/км].

14. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки фоторезисторов.

15. -//- -//- фотодиодов на основе гомоперехода.

16. -//- -//- p-i-n фотодиодов.

17. -//- -//- фотодиодов на основе перехода Шоттки.

18. -//- -//- лавинных фотодиодов.

19. -//- -//- биполярных фототранзисторов – одинарных и составных.

20. -//- -//- полевых фототранзисторов.

21. -//- -//- фотодинисторов.

22. -//- -//- однооперационных фототринисторов.

23. -//- -//- фотосимисторов.

24. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки резисторных оптронов.

25. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки диодных оптронов.

26. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки транзисторных оптронов.

27. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки тиристорных оптронов.

28. Принцип усиления оптического излучения.

29. Активные среды и методы создания инверсной населенности.

30. Полупроводниковые излучающие диоды как источники спонтанного излучения.

31. Назначение, условное обозначение, физический принцип действия, конструкция, характеристики, параметры и маркировки полупроводниковых излучающих диодов.

32. Температурное уширение спектральных линий полупроводниковых лиодов.

33. Органические излучающие диоды.

34. Физические принципы генерации когерентного излучения.

35. Классификация лазеров по типу активных сред и способов накачки.

36. Инжекционные лазеры: принцип действия, конструкция, параметры

37. Способы модуляции лазерного излучения: амплитудная и частотная модуляция.

38. Способы отклонения луча лазера.

39. Использование оптического излучения для передачи информации на расстояние.

40. Волоконно-оптические линии связи.

41. Конструктивное исполнение, характеристики и параметры оптических кабелей.

42. Волоконно-оптические системы передачи информации.

 

Задачи

 

1. Определите частоту и энергию фотона гелий-неонового лазера при λ= 0,6328мкм. Может ли человек видеть излучение этого лазера?

2. Найти длину оптического кабеля, при которой оптическая мощность вводимого излучения уменьшится в 10 раз, если коэффициент затухания составляет 0,2 дБ/км.

3.Энергия ионизации примеси у кристалла фоторезистора составляет 0,015эВ. До какой температуры необходимо охлаждать фоторезистор?

4. Разработать схему защиты светодиода, входящего в состав оптрона, от импульсов обратного напряжения и указать её параметры.

5. Уменьшение оптической мощности Р(х) при прохождении расстояния x выражается законом

Бугера - Ламберта через коэффициент поглощения α. Найти соотношение между α, измеряемым в

[м^-1] и коэффициентом поглощения, выраженном в [дБ/км/].

6. На каком расстоянии от фотодиода, имеющего площадь активной поверхности 1 см² и величину квантового выхода 10% должен находится светодиод, излучающей на длине волны с λ_мах=0,555нм при силе света в одну канделу, чтобы ток фотодиода имел импульсный характер c частотой импульсов 10Гц?

9. Одномодовый точечный источник генерирует излучение с λ=4мкм. Мощность источника 10¹⁰квант/с. Определить энергетическую освещенность площадки в 1мм², ориентированной нормально к источнику и расположенной от него на расстоянии 30см.

10.. Показатель преломления сердцевины одномодового оптического кабеля составляет 1,213. Через какое время излучение достигнет фотоприемника, если длина кабеля составляет 2км?

11. По какой методике можно рассчитать ожидаемую скорость передачи информации по оптическому кабелю с известными параметрами?

12. В каких из нижеприведенных схем будет наблюдаться заметное свечение светодиода? При анализе используйте результаты, полученные в лабораторных работах (VD – обычный маломощный кремниевый выпрямительный диод).

 

13.Известно, что данный прибор является оптроном. У него пять внешних выводов. Как экспериментально, располагая средствами измерений, определить тип оптрона и функцию каждого вывода.

14. Входное напряжение ОУ формируется фотодиодом, имеющем чувствительность 100 мкА/лм. На фотодиод направлен поток излучения импульсного характера с амплитудой импульсов 0,1лм. Изобразить схему формирования U_вх ОУ для случая работы фотодиода в диодном режиме, и определить амплитуду импульсов выходного сигнала, а также минимальное напряжение источника питания ОУ.

15. Ставится задача изменения коэффициента передачи масштабирующего усилителя на ОУ при изменении мощности внешнего излучения. Какой должна быть принципиальная схема данного устройства?

16. Длина волны инжекционного лазера, используемого для передачи информации по оптическому кабелю, составляет 0,8мкм. Какая теоретически максимальная скорость передачи информации может быть достигнута?

17. Источник квазимонохромного излучения (IRE) с λ=1мкм и интенсивностью 1Вт/м² используется в системе охранной сигнализации. Расстояние до фотоприемника (фотодиода с диаметром линзы 5мм) составляет 6м. Какая энергия поглощается кристаллом полупроводника фотодиода с точки зрения корпускулярных и волновых представлений.

18. Разработать схему усиления сигнала фоторезистора с помощью биполярного n-p-n транзистора и методику ее расчета.

19. Осветительная лампа накаливания включена в сеть 220В 50 Гц, её излучение попадает на фоторезистор и фотодиод, работающиий в диодном режиме. Изобразить осциллограммы их сигналов с учётом динамических параметров фотоприёмников.

20.Образец кремния толщиной 700нм облучается монохроматическим источником (λ=600нм) мощностью 40 Вт.

Определить: а) поглощаемую полупроводником энергию; б) долю энергии, переходящей в тепло; в) число испускаемых источником в секунду фотонов. Коэффициент поглощения кремния при такой длине волны – α=7·10⁴см^-1. Ширина запрещённой зоны кремния - 1,12эВ.

 

ТВОРЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Для включения мощных потребителей переменного тока часто используют мощные симисторы, которые, в свою очередь, управляются фотосимисторными оптронами. Для того, чтобы момент включения фотосимистора не пришёлся на момент действия амплитудного значения напряжения, что приведёт к прохождению через нагрузку «ударного» тока, необходимо, чтобы, независимо от времени поступления входного сигнала оптрона, фотосимистор включался бы в момент времени перехода переменного напряжения через нулевое значение.

Разработать алгоритм, структуру и схему включения внутреннего контроллера оптрона, позволяющего осуществить задержку включения фотосимистора до момента перехода переменного напряжения через нулевое значение.

 

ВОПРОСЫ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. На каком расстоянии от фотодиода, имеющего площадь активной поверхности S и величину квантового выхода 10% должен находится светодиод, излучающей на длине волны с λ_мах=0,555нм при силе света в одну канделу, чтобы ток фотодиода имел импульсный характер c частотой импульсов f?

№ п.п
S, см^2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4
f, Гц

 

2. Известно, что данный прибор является оптроном. У него пять внешних выводов. Как экспериментально, располагая средствами измерений, определить тип оптрона и функцию каждого вывода.

3. Источник квазимонохромного излучения (IRE) с λ=1мкм и интенсивностью I используется в системе охранной сигнализации. Расстояние до фотоприемника (фотодиода с диаметром линзы 5мм) составляет L. Какая энергия поглощается кристаллом полупроводника фотодиода с точки зрения корпускулярных и волновых представлений.

№ п.п
I, Вт/м^2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4
L, м

1. 4. Энергия ионизации примеси у кристалла фоторезистора составляет E. До какой температуры необходимо охлаждать фоторезистор и каково граничное значение длины волны регистрируемого излучения?

№ п.п
^E, эВ	0,010	0,011	0,012	0,013	0,014	0,015	0,016	0,017	0,018	0,019	0,020	0,021

 

 

1 Цели и задачи учебной дисциплины «Вакуумная и плазменная электроника»

1.1 Цель преподавания дисциплины

Целью изучения дисциплины является познание студентами физической сущности явлений и процессов, происходящих в вакуумных и плазменных электронных приборах, используемых в различных электронных устройствах.

 

1.2 Задачи изложения и изучения дисциплины

 

Задачами изучения дисциплины являются:

- получение студентами представлений о физических механизмах различных видов электронной эмиссии и способах управления, формирования и транспортировки электронных потоков; о взаимодействии электронных потоков с твердыми телами и структурами; об общих свойствах плазмы, элементарных процессах в ней, ее генерации и влиянии на плазму различных факторов; - рассмотрение вопросов, связанных с использованием упомянутых процессов в вакуумных и газоразрядных приборах, их назначение, устройство и параметры.

В результате изучения дисциплины студенты должны

знать:

- физические основы электронной эмиссии в различных ее проявлениях, способы управления электронными потоками, результаты взаимодействия электронных потоков с веществом, общие свойства плазмы, способы ее генерации и влияние на плазму различных факторов, назначение, принцип действия, устройство и основные параметры вакуумных и плазменных приборов;

уметь:

- составлять элементарные схемы с использованием вакуумных и плазменных приборов и рассчитывать режимы их работы с учетом электрических и предельно-допустимых параметров;

владеть:

- информацией об областях применения и перспективах развития приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники, навыками практического применения приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники в интересах промышленности.

1.3 Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины

Курс «Вакуумная и плазменная электроника» базируется на дисциплинах ЕН.Ф.01 «Физика. Общий курс» и ОПД.Ф.02.01 «Материалы и элементы электронной техники».

 

 

2 Содержание дисциплины

2.1 Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий (36 часов).

Тема 1. Введение (1 час).

Роль и место дисциплины в системе подготовки студентов специальности 210106.65 «Промышленная электроника». Цели и задачи курса. Общая характеристика вакуумных и газоразрядных приборов, их устройство, назначение и технология изготовления.

Тема 2. Основы электронной теории твердого тела (1 час.)

Формула Ричардсона- Дэшмана. Поведение электронов, покинувших катод: влияние объемного заряда, контактной разности потенциалов, ускоряющего поля. Потенциальная диаграмма вакуумного диода. Уравнение Чайльда-Ленгмюра. Применение термоэлектронной эмиссии.

Тема 5. Вторичная электронная эмиссия ( 2час)

Явления переноса, плазма в магнитном поле, колебания и неустойчивости плазмы, эмиссионные свойства плазмы, излучение плазмы, методы ускорения плазменных потоков; диагностика параметров плазмы; применение плазмы в электронике.

 

2.2 Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах (18часов).

1. Исследование термоэлектронной эмиссии:

- определение времени готовности, начального тока и потенциала запирания в номинальном режиме работы термокатода;

- оценка влияния температуры катода на указанные параметры и определение токов насыщения –4час.

2. Исследование фотоэлектронной эмиссии:

- оценка влияния спектрального состава излучения, его интенсивности и ускоряющего поля на величину фототока;

- определение задерживающего потенциала как функции спектрального состава и интенсивности излучения –4час.

3. Исследование вторичной электронной эмиссии –2час.

4. Управление плотностью электронного потока –2час.

5. Исследование низковольтной катодолюминесценции: управление яркостью свечения люминофора путем изменения плотности электронного пучка и скорости электронов – 3 час.

6. Исследование цифрового газоразрядного индикатора как прибора, реализующего самостоятельный тлеющий разряд в газе – 3 час.

 

2.3 Содержание и объем самостоятельной работы студентов (66 часов).

Подготовка к лекциям и лабораторным работам – 22 час.

Подготовка к контрольным работам – 11 час.

Выполнение творческих заданий – 7 час.

Итоговая подготовка к зачету – 8 час.

 

3 Учебно-методические материалы по дисциплине

3.1 Основная литература

1.Сушков А.Д. Вакуумная электроника [Электронный ресурс]: учеб. пособие.- СПб.: Лань, 2011.- 476с.- Режим доступа:http//portal magtu.ru, электронная библиотечная система «Лань».- Загл. с экрана.

2. Попов А.Н. Вакуумная техника [Электронный ресурс]: учеб. пособие.- СПб.: Инфра-М, 2012.- 376с.- Режим доступа:http//portal magtu.ru, электронная библиотечная система «Лань».- Загл. с экрана.

3.2 Дополнительная литература

1. Базовые лекции по электронике (В 2-х томах). Том1. Электровакуумная, плазменная, и квантовая электроника. Под ред. В.М. Пролейко. - М.: «Техносфера», 2009.- 456с.

2. Татаренко Н.И., Кравченко В.Ф. Автоэмиссионые наноструктуры и приборы на их основе. – М.: Физматлит, 2006.- 195с.

1. Добрецов Л.Н. Катодная эмиссионная электроника. – М.: Наука, 1976. – 218с., ил.

2. Электронные приборы: Учебник для ВУЗов/ В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.: Под ред. Г.Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 496с., ил.

3. Низковольтные катодолюминесцентные индикаторы/ Б.И. Горфинкель, Б.В. Абалдуев, Р.С. Медведев и др. – М.: Радио и связь, 1983. – 112., ил.

4. Яблонский Ф.М. Газоразрядные приборы для отображения информации. – М.: Энергия, 1979. – 136с., ил.

5. Шимони К. Физическая электроника. Пер. с нем. – М.: Энергия, 1977. – 607с., ил.

6. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для ВУЗов. – М.: В.Ш., 1982. – 608с., ил.

7. Комаров С,Г. Вакуумные люминесцентные индикаторы уровня сигнала серии Е. «Радио», 2010,№8, с.64.

8. Леванов В.В. Оценка времени запаздывания возникновения разряда в тиратроне с холодным катодом в диодной схеме включения.//Автоматизация тенологических процессов в металлургии: Межвуз. сб. науч. тр.- Магнитогорск: МГТУ, 2001.С194-196.

 

ТЕСТ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСВОЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЁТА

1. Приведите примеры вакуумных электронных приборов, каково их назначение?

2. Приведите примеры известных Вам плазменных (газоразрядных) приборов, каково их назначение?

3. В чем принципиальное отличие вакуумных электронных приборов от плазменных?

4. С какой целью создается разряжение внутри корпусов вакуумных приборов?

5. Почему приборы вакуумной и плазменной электроники называют эмиссионными?

6. Какие виды электронной эмиссии используются в приборах вакуумной и плазменной электроники?

7. Возможна ли спонтанная (самопроизвольная) эмиссия электронов из вещества?

8. Что называют работой выхода, в чем ее измеряют и какова (примерно) ее величина для различных веществ?

9. Как определяется работа выхода?

10. Какова физическая сущность автоэлектронной эмиссии?

11. Какова физическая сущность взрывной эмиссии?

12. Какова физическая сущность фотоэлектронной эмиссии?

13. Какова физическая сущность вторичной электронной эмиссии?

14. Какова физическая сущность термоэлектронной эмиссии?

15. Каково назначение, принцип действия и устройство фотоэлементов?

16. Укажите основные параметры фотоэлемента и расшифруйте их.

17. Что такое «красная граница» фотоэффекта?

18. Какой из режимов работы фотоэлемента - пространственного заряда или насыщения является рабочим? Почему?

19. Чем объяснить наличие экстремума на спектральной характеристике фотоэлемента?

20. Какова природа темнового тока фотоэлементов?

21. Что называют вторичной электронной эмиссией?

22. Чем характеризуется эффективность вторичной электронной эмиссии?

23. Как зависит коэффициент вторичной эмиссии от энергии первичных электронов?

24. В каких приборах наблюдается явление вторичной эмиссии, в каких из них она представляет собой желаемое явление, а в каких - нежелательное?

25. Какова физическая сущность термоэлектронной эмиссии и в каких известных Вам приборах она используется?

26. Назовите существующие в настоящее время типы термокатодов и дайте им сравнительную характеристику.

27. Укажите основные параметры фото, термо и вторично-электронных катодов.

28. Что называют «динатронным эффектом», в каких электронных приборах он имеет место?

29. Как понимать выражение «потенциальный барьер» применительно к вакуумным приборам? Приведите пример использования потенциального барьера.

30. Что понимают под «пространственным зарядом»? Каково действие пространственного заряда?

31. Какие факторы, и каким образом влияют на плотность тока фотоэлектронной эмиссии?

32. Какие факторы, и каким образом влияют на плотность тока термоэлектронной эмиссии?

33. Какой режим работы, и какого прибора описывает «закон степени трех вторых»?

34. Анодное напряжение освещенного вакуумного фотоэлемента равно нулю (анод замкнут на катод). Будет ли равен нулю анодный ток? Почему?

35. Анодное напряжение вакуумного диода с термокатодом, на который подано номинальное (рабочее) напряжение накала, равно нулю (анод замкнут на катод). Будет ли равен нулю анодный ток? Почему?

36. Какие параметры электронного потока (тока на анод) в промежутке анод-катод вакуумного диода изменяются при изменении анодного напряжения?

37. Каким образом можно управлять поперечным размером электронного потока? Приведите пример реализации.

38. Каким образом можно изменить траекторию потока электронов? В каких приборах используются данные способы отклонения? Какова конструкция отклоняющих систем?

39. Что называют «электронной линзой», где она применяется и для чего?

40. Что называют «электронным прожектором», какова его конструкция, назначение элементов и область применения?

41. Какие физические явления и процессы имеют место в электронных лучевых приборах, их назначение?

42. Что называют катодолюминесценцией, какова ее физическая сущность? Где она применяется?

43. В чем заключается отличие высоковольтной катодолюминесценции от низковольтной? Укажите области их применения.

44. Является ли излучение катодолюминофоров когерентным? Почему?

45. Укажите на конструктивные отличия монохронных кинескопов от кинескопов цветного изображения, с чем они связаны?

46. Какова конструкция электронных вакуумных ламп-триода, тетрода, пентода? Укажите назначение электродов ламп и их условные обозначения на схемах.

47. Какова конструкция, условное обозначение и принцип действия цифровых газоразрядных индикаторов?

48. Что называют «аквадагом», где он применяется, как подключается и с какой целью?

49. Какое изображение формируется на экране кинескопа при обрыве в цепи кадровых и строчных катушек? Является ли такой режим допустимым и почему?

50. Какова конструкция, область применения и принцип действия газоразрядной матрицы постоянного тока?

51. Какова конструкция осциллографической электронной лучевой трубки?

52. Как регулируется яркость свечения экрана электронных лучевых приборов? За счет чего?

53. Что называется газовым разрядом?

54. Какое состояние газа называется плазмой?

55. В чем отличие несамостоятельного разряда в газе от самостоятельного? Приведите примеры использования указанных видов разряда.

56. Каков принцип действия и применение понизационной камеры и счетчика?

57. Используемые в приборах плазменной электроники газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Каким образом в них появляются носители тока?

58. Перечислите виды разрядов в газе и укажите на области их применения или условия существования.

59. В каких приборах используется «тлеющий разряд»? Укажите параметры этих приборов (с единицами измерения), дайте их расшифровку.

Каков механизм свечения газа при «тлеющем разряде»? При каких условиях он возникает?

 

ВОПРОСЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

1. Используя уравнение Шрёдингера, определить вероятность проникновения электрона с энергией Е за потенциальный порог высотой U₀ на расстояние x. Исходные данные для расчёта приведены в таблице.

 

№ п/п
U0-E, эВ	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
х, нм	0,16	0,15	0,14	0,13	0,12	0,11	0,10	0,09	0,08	0,07	0,06	0,05

 

 

2. С какой начальной скоростью электроны покидают фотокатод, работа выхода которого еφ, при облучении его светом с длиной волны λ. Используя схему замещения вакуумного фотоэлемента, имеющего интегральную чувствительность S, определить напряжение U_н на нагрузке сопротивлением R_н при облучении фотоэлемента потоком излучения Ф. Каким должно быть минимальное напряжение источника питания, если напряжение насыщения фотоэлемента составляет 10В? Исходные данные для расчёта приведены в таблице.

 

№ п/п
λ, мкм	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
еφ, эВ	3,0	2,4	2,0	1,7	1,5	1,3	1,2	1,1	1,0	0,9	0,8	0,8
S,мкА/лм
Ф, лм	0,80	0,75	0,70	0,65	0,60	0,55	0,50	0,45	0,40	0,35	0,30	0,25
Rн, кОм

 

3. Определить величину напряжения запирания вакуумного триода, если известен статический коэффициент усиления μ и величина анодого напряжения U_а (приведены в таблице).

 

№ п/п

μ

Uа,В

 

4. Изолированная мишень подвергается бомбардировке пучком свободных электронов, разогнанных до энергии E. Описать поведение мишени для значений первой и второй её критических энергии - и соответственно, приведенных в таблице.

 

№ п/п

E, эВ

ТЕМА ТВОРЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

 

1. Используя результаты, полученные при выполнении лабораторной работы №6, изобразить в масштабе график зависимости напряжения на конденсаторе (смотрите рисунок) от времени, если R=1МОм, С=1мкФ. Напряжение источника питания U_ип=200В. В момент подачи питания конденсатор разряжен.

2. Изготовить устройство, изображённое на рисунке, снять осциллограмму U_c(t) и сравнить её с теоретической.

 

 

1 Цели и задачи учебной дисциплины «Твердотельная электроника»

1.1 Цель преподавания дисциплины

Целью изучения дисциплины является формирование у студентов комплекса знаний по теории электропроводности в твердых телах, физическим основам функционирования полупроводниковых приборов, их эксплуатационным свойствам и характеристикам.

 

1.2 Задачи изложения и изучения дисциплины

 

Задачей курса «Твердотельная электроника» является изучение основных явлений, связанных с формированием электропроводящих свойств в полупроводниках и образованием электрических переходов в области контакта различных твердых тел, разновидностей полупроводниковых приборов, принципа действия, характеристик и параметров, а также особенности их применения и эксплуатации.

В результате обучения по данной дисциплине студент должен:

- знать методики измерения основных параметров рабочего режима и определения их работоспособности,

- уметь рассчитывать по характеристикам основные параметры рабочего режима, осуществлять выбор приборов и определять параметры схемы замещения,

- владеть навыками работы с полупроводниковыми приборами.

 

Изучение дисциплины «Твердотельная электроника базируется на естественно-научных дисциплинах ЕН. Ф.03-«Физика» и ЕН. Ф.04-«Химия», а также общепрофессиональных дисциплинах ОПД. Ф. 02.01-«Материалы и элементы электронной техники» и ОПД. Ф. 04,01- Метрология,стандартизация и сертификация.

 

2 Содержание дисциплины

2.1 Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных

занятий (36 часов)

Введение (1 час)