Методические материалы по обеспечению лабораторных занятий

1. Леванов В.В. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 210106. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова», 20010. 20 с.

2. Леванов В.В. Исследование диодного и транзисторного оптронов. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 210106. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова», 2004. 12 с.

3. Леванов В.В. Одноканальные аналоговые и цифровые осциллографы как средство измерений параметров электрических сигналов. Учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2005. 55с.

 

Контрольно-измерительные материалы.

по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»

Направление 210100.62 «Электроника и микроэлектроника»

 

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.)