ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ по дисциплине «Физические основы электроники» для специальности 1-45 02 01 – Почтовая связь

1. Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения и частиц. 2. Стационарное уравнение Шредингера.

3. Нестационарное уравнение Шредингера.

4. Строение атомов.

5. Методы расчета электронной структуры атомов.

6. Методы расчета электронной структуры молекул.

7. Зонная теория твердого тела.

8. Зонная структура металлов.

9. Зонная структура полупроводников.

10. Зонная структура диэлектриков.

11. Собственная проводимость полупроводников.

12. Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках.

13. Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках.

14. Сверхпроводимость.

15. Электронно-дырочный переход.

16. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

17. Виды пробоев р-n-перехода.

18. Контакт между полупроводниками одного типа проводимости.

19. Контакт «металл - полупроводник».

20. Физические процессы в структуре с двумя переходами.

21. Физические принципы работы полупроводниковых диодов.

22. Выпрямительные диоды и их основные параметры.

23. Импульсные диоды и их основные параметры.

24. Туннельные диоды и их основные параметры.

25. Обращенные диоды и их основные параметры.

26. Диоды Шоттки и их основные параметры.

27. Режимы работы биполярных транзисторов.

28. Основные параметры биполярных транзисторов.

29. Схемы включения биполярных транзисторов.

30. Полевые транзисторы и схемы их включения.

31. Статические характеристики полевых транзисторов.

32. Применение полупроводниковых диодов и транзисторов.

33. Интегральные микросхемы.

34. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.

35. Фоторезисторы и их основные параметры.

36. Фотодиоды и их основные параметры.

37. Лавинное умножение носителей заряда в полупроводнике.

38. Лавинные фотодиоды и их применение.

39. Многоэлементные фотоприемники.

40. Фотоэлементы.

41. Солнечные батареи.

42. Явление радиоактивности.

43. α-, β-, γ- излучения.

44. Дозы излучения и их единицы.

45. Активность радиоактивных веществ.

46. Биологическое действие ионизирующего излучения.

47. Физические принципы работы приборов дозиметрического контроля.

48. Приборы на туннельном эффекте.

49. Приборы на квантовых ямах.

50. Низкоразмерные системы.

51. Квантовые точки.

52. Квантовые шнуры.

53. Квантовые пленки.

54. Устройства молекулярной электроники: диод, транзистор, оптические сенсоры.

55. Одноэлектронный транзистор.

56. Физические принципы работы оптического волокна.

57. Одномодовые оптические волокна.

58. Многомодовые оптические волокна.

59. Явление люминесценции в полупроводниках.

60. Инжекционные светодиоды с р-n-переходами.

61. Светодиоды с антистоксовым люминофором.

62. Источники света с порошкообразным электролюминофором.

63. Источники света с пленочным электролюминофором.

64. Когерентные источники и усилители оптического излучения.

65. Лазеры и их основные параметры.

66. Применение лазеров.

67. Фотоприемники, основанные на внешнем фотоэффекте.

68. Фотоэлектронные умножители.

69. Методы счета фотонов.

70. Электровакуумные фотоприемники для счета фотонов.

71. Полупроводниковые фотоприемники для счета фотонов.

72. Сверхпроводниковые фотоприемники для счета фотонов.

73. Математическая модель канала однофотонной связи.

74. Однофотонные источники излучения.

75. Методы регистрации оптических сигналов

1 Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения.

В классической физике рассматриваются следующие виды движений: движение частиц или корпускулярное движение и распространение волн. В первом случае объект локализован в пространстве и его состояние при движении в каждый момент задается двумя величинами: радиус-вектором r и импульсом  , которые позволяют определить траекторию его движения. Второй вид движения, наоборот, делокализован в пространстве. Немецкий физик М.Планк предположил, что энергия осциллятора с собственной частотой ν может принимать лишь определенные дискретные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций − квантов энергии:

E= (1)

где h= 6,625·10–34 Дж·с − константа, получившая в дальнейшем название постоянная Планка.

Представляя твердое тело совокупностью квантовых осцилляторов, он получил формулу, из которой вытекают все законы теплового излучения. То есть, гипотеза о том, что электромагнитное излучение испускается и поглощается телом в виде отдельных порций. Это был первый шаг в создании квантовой теории. Следующий этап в развитии корпускулярной теории электромагнитного излучения был сделан А.Эйнштейном при объяснении фотоэлектрического эффекта. Принципиальная схема для исследования этого явления приведена на рис. 1

Два металлических электрода в вакуумной трубке подключены к батареям Е1 и Е2 так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Такая установка позволяет изучить зависимости тока от напряжения, интенсивности и частоты падающего света.

Р ис. 1 Схема установки для экспериментального исследования законов фотоэффекта.

При освещении катода монохроматическим светом в цепи появляется ток I, который измеряется включенным в цепь миллиамперметром мА. Он обусловлен электронами, вырываемыми светом с поверхности катода. На рис.1 приведены зависимости силы фототока I от напряжения U , соответствующие двум различным значениям светового потока, причем Ф2  Ф1.Частота света в обоих случаях одинакова.

Рис. 2 Вольт-амперные характеристики фототока.

Из рис.2 видно, что по мере увеличения напряжения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Максимальное значение фототока насыщения Iнас определяются таким значением напряжения U* , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Из рисунка следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение Uз. При U = Uз ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью Vmax, не может преодолеть задерживающего электрического поля и достигнуть анода. Следовательно,

(2)

т.е. по задерживающему напряжению Uз, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона. При изучении зависимостей вольтамперных характеристик разнообразных материалов от частоты падающего на катод излучения и энергетической освещенности катода были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν0 света, ниже которой фотоэффект невозможен.

Фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света. Для объяснения законов фотоэффекта А.Эйнштейн развил идеи М. Планка о квантовом характере теплового излучения. Он предположил, что свет не только излучается отдельными квантами, но и распространяется и поглощается веществом в виде квантов энергии. В связи с этим распространение электромагнитного излучения рассматривается уже не как непрерывный волновой процесс, а как поток дискретных квантов, движущихся в вакууме со скоростью света с. Эти кванты электромагнитного излучения были названы фотонами.

В соответствии с законом сохранения энергии Эйнштейн предложил уравнение:

(3)

Здесь выражение = Wк представляет собой максимально возможную кинетическую энергию Wк электрона, вырываемого излучением частотой  . Так как работа выхода является константой для данного вещества, то кинетическая энергия электрона линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности (3). Уравнение (3) объясняет все экспериментально установленные законы фотоэффекта: во-первых, из этого соотношения следует, что максимальная скорость вырванных фотоэлектронов зависит не от интенсивности I , а только от частоты света ; во-вторых, внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона h больше или равна работе A выхода электрона из металла. Минимальная частота , при которой еще возможен фотоэффект, определяется по формуле:

(4) Общее число n фотоэлектронов, вылетающих из вещества за единицу времени, пропорционально числу фотонов, которые попадают за это же время на поверхность вещества, т.е. число n пропорционально интенсивности падающего света (первый закон фотоэффекта). С помощью соотношений (2) и (4) уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (3) можно записать в виде :

(5) Если значения  и известны, то, определив значение задерживающего напряжения U з , можно с помощью формулы (5) найти постоянную Планка:

(6)

Можно также для известных значений 1 и  2 измерить значения задержива- ющих напряжений U1з и U2з и, используя формулу (5), рассчитать постоянную Планка, не определяя :

(7)

Совпадение экспериментальных значений по определению постоянной Планка h согласно формуле (7) с результатами ее измерения в опытах по тепловому излучению АЧТ подтверждает справедливость уравнения Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны как квазичастицы света обладают не только энергией E  h , но и массой. Массу фотона можно определить с помощью выражения для энергии микрочастицы в релятивистской механике:

Следовательно, (8)

Введенное понятие массы фотона существенно отличается от понятия массы для обычных микрочастиц. Фотон не обладает массой покоя, т.е. для него .

Импульс фотона определяется выражением:

(9)

Наличие у фотона импульса экспериментально проявляется в том, что свет оказывает давление на тела. Формулу для светового давления можно получить, исходя из квантовых свойств света.

Корпускулярно-волновой дуализм частиц.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль высказал смелую гипотезу о сходстве между светом и частицами вещества: если свет обладает корпускулярными свойствами, то и материальные частицы, в свою очередь, должны обладать волновыми свойствами. Движение электрона или какой–либо другой частицы связано с волновым процессом, т.е. с любой частицей вещества связана некоторая волна, точно так же, как с фотоном связана световая волна. Эти волны не являются электромагнитными. Они имеют специфическую природу, для которой нельзя найти аналогию в классической физике. Движению любой частицы, обладающей импульсом p , сопоставляется волновой процесс с длиной волны:

(1)

Это выражение называется длиной волны де Бройля для материальной частицы.

Приведенные выше опыты убеждают нас в том, что движению микрочастиц действительно можно сопоставить волновой процесс. Длина волны электрона совпадает с предсказанной формулой де Бройля

физический смысл волн де Бройля: квадрат амплитуды волны де Бройля определяет вероятность нахождения частицы в данной области пространства.