Особливу увагу слід зосередити на вивчені роботи діода у режимі прольоту, оскільки генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола тобто є керованою.
Нарешті наприкінці потрібно з’ясувати недоліки та переваги генераторів Ганна порівняно з іншими приладами, що генерують електромагнітні коливання.
Література: [2], с.246-247; [8], с.150-221
1. Розглянути типову конструкцію, принцип дії та ВАХ ЛПД.
2. Пояснити механізм виникнення від'ємного диференціального опору у ЛПД.
3. Розглянути способи використання ЛПД для генерації НВЧ-коливань.
4. Викласти основні параметри ЛПД різної конструкції.
5. Пояснити суть ефекту Ганна.
6. Сформулювати вимоги до зонної структури напівпровідника необхідні для реалізації ефекту Ганна.
7. Навести статичні ВАХ діодів Ганна та пояснити їх вигляд.
8. Пояснити причину зарядової нестійкості у приладах з від’ємним диференціальним опором.
9. Пояснити механізм генерація НВЧ - коливань у діодах Ганна.
10. Вказати недоліки та переваги генераторів на діодах Ганна порівняно з іншими приладами призначеними для генерації високочастотних коливань.
Розділ 7. Оптоелектронні напівпровідникові прилади
Загальні відомості. Поглинання та випромінювання світла напівпровідниками. Спектральні характеристики. Напівпровідникові фотоприймачі. Фоторезистори. Фотодіоди і фотоелементи. Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням. Світлодіоди і напівпровідникові лазери. Оптрони та їх застосування.
Загальні відомості. Характеристики сонячного випромінювання та ККД сонячних перетворювачів. Сонячні елементи з р-n – переходами. Сонячні елементи з гетеропереходами. Еквівалентна схема фотоелементів. Темнові та світлові ВАХ ідеальних і реальних сонячних елементів. Визначення основних характеристик фотоперетворювачів. Основні фізичні процеси у фотоперетворювачах. Монокристалічні та плівкові сонячні елементи. Одноперехідні та тандемні фотоперетворювачі.
Вивчення теми потрібно почати з повторення матеріалу присвяченого основним оптичним властивостям напівпровідників. Даний розділ є вступним та служить своєрідним фундаментом для вивчення інших розділів теми. Без його засвоєння неможливо зрозуміти принципи функціювання оптоелектронних приладів.
Студентам потрібно згадати, що таке електромагнітна хвиля, її основні характеристики, розглянути поділ цих хвиль на світлові та радіохвилі. Більш докладно слід зупинитися на явищі поглинання світла напівпровідниками, зрозуміти суть закону Бугера, таких поняттів як коефіцієнт поглинання, відбиття та проходження світла. Потрібно знати визначення абсолютного та відносно показників заломлення речовини, зв'язок між коефіцієнтами поглинання, відбиття та проходження світла (співвідношення Ламберта). У подальшому потрібно з’ясувати різницю у будові енергетичних зон прямозонних та непрямозонних напівпровідників, зрозуміти чому коефіцієнт поглинання прямозонних матеріалів суттєво вищий ніж непрямозонних. Необхідно також розібратися як визначається ширина забороненої зони прямозонних та непрямозонних напівпровідників.
Важливим для розуміння процесів поглинання світла у напівпровідниках є поняття екситонного поглинання, у зв’язку з цим потрібно розібратися, що таке екситон, і які екситони існують.
Особливу увагу потрібно звернути на явище випромінювальної рекомбінації носіїв заряду у напівпровідниках, яке приводить до люмінесценції матеріалів. Слід з’ясувати різницю між вимушеною та стимульованою рекомбінацією.
Важливими різновидами люмінесценції є люмінесценція викликана інжекцією носіїв заряду через р-n – перехід та люмінесценція пов’язана з ударною іонізацією у р-n - переході, що включений у зворотному напрямі, оскільки ці ефекти покладені в основу роботи світлодіодів.
Необхідно також розібратися у явищах, що при освітленні обумовлюють фоторезистивний ефект у однорідних напівпровідниках та виникнення фото-ЕРС у p-n-переходах. Все це дозволить зрозуміти поділ приладів оптоелектроніки на такі що випромінюють світло, приймачі випромінювання, оптопари і оптоелектронні ІМС.
У подальшому потрібно вивчити конструкцію та принцип дії світлодіодів. Звернути увагу на те, як матеріал напівпровідника впливає на колір випромінювання світла приладом. Розглянути принцип роботи світлодіодів з кольором випромінювання, що регулюється. Ознайомитися з структурою сегментних та матричних індикаторів на базі світлодіодів.
До виконання розрахунково-графічних робіт (РГР) слід приступати лише після вивчення теоретичного матеріалу відповідних тем робочої програми.
Кожна РГР складається з реферативної частини, що включає письмову відповідь студента на 3 запитання відповідної теми та розрахункової частини (2 завдання у РГР1 та 2 завдання у РГР 2). Питання та завдання РГР поділені на варіанти. Студент повинен виконувати варіант якій відповідає його номеру у списку групи.
Після виконання РГР здають викладачу на перевірку. Оцінка за перевірені роботи разом з оцінками студента за лабораторний практикум є основою для допуску його до семестрового екзамену з дисципліни.
РГР виконується в окремому зошиті. На обкладинці зошиту повинні бути вказані: прізвище, ім’я, по батькові студента, номер групи, варіант контрольної роботи. Текст завдання на реферативну та розрахункові частини повинні бути наведені повністю.
Робота повинна бути оформлена повно, акуратно та розбірливо, з дотриманням ДСТУ та у відповідності до норм, що прийняті в науково-технічній літературі. Відповідь на кожне питання реферативної частини повинна займати не менше однієї сторінки зошиту. Вона повинна бути написана власними словами і являти собою не переписаний з окремого запропонованого джерела уривок тексту, а результат обмірковування матеріалу отриманого з 2-3 джерел. При цьому додатковою перевагою реферативної відповіді вважається застосування довідникових даних, можливий схемотехнічний приклад (у випадку, якщо він є доречним). Всі рівняння, формули, рисунки та графіки повинні бути пронумеровані арабськими цифрами в межах відповіді на одне питання.
У кінці роботи наводиться список використаних джерел, у відповідності до правил оформлення літератури. Посилання в тексті роботи повинні містити номер джерела за списком, наприклад [1].
Розрахунково-графічна робота 1 (перший семестр).
Розрахунок статичних та динамічних параметрів біполярного транзистора.
У таблиці 1 вказана тема та номери питань за варіантами. Їх необхідно брати з переліку питань для самоконтролю у відповідній темі методичних вказівок. Наприклад, питання 1.6 розшифровується таким чином: тема 1, питання 6 – Охарактеризувати існуючі способи виготовлення p-n-переходів.
Таблиця 1. Питання реферативної частини РГР1
|
Варіанти |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Теми та питання |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.4 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
1.9 |
1.10 |
1.12 |
|
3.1 |
3.2 |
3.3 |
3.4 |
3.7 |
3.8 |
3.10 |
3.12 |
3.14 |
3.15 |
|
|
4.1 |
4.2 |
4.3 |
4.4 |
4.5 |
4.6 |
4.7 |
4.8 |
4.9 |
4.10 |
|
|
Варіанти |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
Теми та питання |
1.14 |
1.15 |
1.16 |
1.17 |
1.18 |
1.20 |
1.22 |
1.25 |
1.28 |
1.30 |
|
3.17 |
3.18 |
3.19 |
3.20 |
3.21 |
3.26 |
3.27 |
3.28 |
3.29 |
3.30 |
|
|
4.11 |
4.12 |
41.3 |
4.14 |
4.15 |
4.16 |
4.17 |
4.18 |
4.19 |
4.20 |
Сформулювати основні поняття оптики. Що з себе являють електромагнітні хвилі, які їх види ви знаєте?
Які механізми поглинання світла напівпровідниками існують? Сформулювати та записати закон Бугера, співвідношення Ламберта.
3. Що таке абсолютний і відносний показники заломлення, коефіцієнти відбиття та пропускання? Записати співвідношення, що визначає зв'язок коефіцієнту відбиття з показником заломлення.
4. Чим відрізняються прямозонні та непрямозонні матеріали, їх коефіцієнти поглинання?
5. Викласти методику визначення ширини забороненої зони прямозонних і непрямозонних напівпровідникових матеріалів.
6. Що таке екситон? Чому дорівнює енергія утворення екситону. Які види екситонів ви знаєте. Як змінює спектри поглинання напівпровідників екситонне поглинання.
7. Пояснити суть явища люмінесценції. Які її види ви знаєте? У чому різниця між спонтанною та вимушеною рекомбінацією носіїв заряду.
8. Пояснити механізми інжекційної та ударної люмінесценції, принципи дії світлодіодів. Навести їх основні характеристики та параметри.
9. Для чого призначені оптоелектронні напівпровідникові прилади. Навести їх класифікацію.
10. Пояснити сутність фоторезистивного ефекту в напівпровідниках та розглянути його застосування в фоторезисторах.
11. Пояснити принцип роботи світлодіодів з кольором свічення що перелаштовується. Навести схеми їх будови та підключення.
12. Пояснити принцип роботи напівпровідникових лазерів та навести схему їх будови. Вказати області використання одномодових та багатомодових лазерів.
13. Пояснити процес виникнення фото-ЕРС в освітленому p-n-переході. Від чого залежить величина фото-ЕРС?
Пояснити принцип дії та зобразити сім’ю ВАХ фотодіоду для різних значень світлового потоку.
Пояснити роботу фотоприймачів із внутрішнім підсиленням.
Яку ширину забороненої зони повинен мати напівпровідниковий матеріал для того щоб сонячний елемент мав максимальний ККД.
17. Пояснити чому фотоперетворювачі на основі гетеропереходів мають переваги перед сонячними елементами на основі p-n- переходів.
18. Викласти фізичні принципи роботи сонячних елементів. Вказати основні процеси, що відбуваються у фотоперетворювачах.
19. Зобразити еквівалентну схему сонячного елементу, його темнові та світлові ВАХ.
20. Пояснити вплив на ВАХ послідовного і шунтуючого опорів фотоперетворювача.
21. Поясніть як на світловій ВАХ сонячного елемента знайти точку максимальної потужності. Яким чином знайти основні параметри фотоперетворювача: струм короткого замикання, напругу холостого ходу, фактор заповнення ВАХ, ККД.
22. Пояснити переваги тандемних фотоперетворювачів перед одноперехідними.
23. Пояснити принцип роботи оптронів.
24. Охарактеризувати застосування оптронів в якості елементів електронних схем.
Розділ 8. Основи мікроелектроніки
Основні поняття та визначення. Технологія виготовлення інтегральних МДП структур. Біполярні транзистори. МОН (МДП) транзистори. Діоди. Резистори. Конденсатори. Індуктивності.
Далі потрібно зрозуміти принцип дії світловипромінюючих приладів, що генерують когерентне випромінювання, тобто твердотільних лазерів. Також важливо розібратися чим одномодові лазери відрізняються від багатоходових.
При вивченні фотоприймачів необхідно ознайомитися з будовою та принципом дії фоторезисторів, фотодіодів, їх будовою, сім’єю ВАХ та застосуванням. Вивчаючи фотоприймачі з внутрішнім підсиленням, необхідно з’ясувати як зміна світлового потоку впливає на роботу фототранзисторів. Ці процеси аналогічні тим, які відбуваються у звичайних БТ при зміні струму бази (при підключенні за ССЕ) тобто зміна освітленості фототиристорів рівнозначна зміні струму керування звичайних тиристорів.
Важливо зрозуміти принципи роботи сонячних елементів оскільки останнім часом вони знаходять все більше застосування для перетворення енергії сонця в електричну. Слід знати основні процеси, що відбуваються у фотоперетворювачах. Необхідно вміти навести співвідношення, що описують ВАХ сонячних елементів, та вміти визначати з них основні характеристики фотоперетворювачів, вміти зображати еквівалентну схему приладу та знати яким чином на характеристики фотоперетворювача впливають їх послідовний та шунтуючий опори. Також потрібно розуміти чому оптимальними з точку зору отримання максимальної ефективності перетворення сонячної енергії у електричну є матеріали, що мають ширину забороненої зони близьку до 1,5 еВ.
У подальшому слід розібратися з конструкцією та характеристиками резисторних, діодних, транзисторних та тиристорних оптронів. Розглянути питання застосування оптронів в електричних колах як елементів з високим ступенем розв’язки: імпульсних трансформаторів, перемикачів, потенціометрів, змінних конденсаторів. Важливо також знати приклади схематичного застосування оптронів, як оптичних замінників основних елементів електронних схем.
Література: [1], с.219-256; [2], с.247-257, 269-270; [8], с.270-434