Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лапшинский Сборник задач и заданий с ответами, решениями 2011

.pdf
Скачиваний:
882
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
6 Мб
Скачать
☆

которого надо измерить, всего лишь двумя контактами, как показано на рис. 1.15,а. Обозначения на схеме: Rx – сопротивление участка цепи между контактами (отмечены стрелками), Е – источник эталонного напряжения, А – микроамперметр с очень малым внутренним сопротивлением (Rвн << Rэт), Rэт – эталонный резистор, определяющий величину максимального измеряемого тока (при закороченных контактах). Если Iизм – измеренное значение тока, то очевидно,

что Rx = E/Iизм – Rэт.

Вместо этого был использован четырехконтактный (четырехзондовый) метод, схема которого показана на рис.1.15,б. К отмеченным элементам добавлен вольтметр V с очень большим входным сопротивлением (Rвх >> Rx при любых значениях Rx), который подключен непосредственно к измеряемому участку цепи. Цепь с источником напряжения подключена к внешним контактам.

Рис. 1.15. Схемы измерений сопротивления участка цепи на нанотрубке:

(а) – двухзондовым и (б) – четырехзондовым методом

Можно предположить, что поскольку был использован четырехзондовый метод, то он дает более точные результаты. Определите насколько более точные. Оцените максимальную относительную погрешность (в %) измерения для обоих методов, если при измерении удельного сопротивления

41

различных нанотрубок четырехзондовым методом были получены следующие экспериментальные данные, таблица

1.2.

Таблица 1.2. Экспериментальные данные по измерению удельного сопротивления нанотрубок

№

Радиус

Расстояние

Измеренное

Удельное

 

нанотрубки,

между

сопротивление

сопротивление,

 

нм

зондами,

нанотрубки,

Ом∙см

 

 

мкм

Ом

 

 

 

 

 

 

1

10,2

0,3

10,8∙103

1,2∙10-4

2

6,3

0,5

2,4∙108

5,8

3

9,1

1,0

2,0∙102

5,1∙10-6

4

6,1

0,5

4,3∙104

9,8∙10-4

Дополнительный вопрос: чем можно объяснить очень большой (6 порядков!) разброс измеренных значений удельного сопротивления для различных образцов нанотрубок? Ваше мнение?

Задача №11. Фотоприемные устройства (ФУ) на квантовых ямах (наногетероструктурах). Определите долю мощности оптического излучения, поглощаемого в фотоприемнике на квантовых ямах. Излучение падает перпендикулярно к поверхности фотоприемника. Коэффициент поглощения излучения в узкозонном полупроводнике α = 7·103 см-1, коэффициенты отражения от

границ

раздела

узкозонного

и

широкозонного

полупроводников R1 =

0,01, R2 =

0,02,

толщина слоя

узкозонного полупроводника d = 5нм, число периодов фотоприемной структуры n = 50. Ответ представить в виде аналитического выражения и численного значения. Преобразовать ответ для R1 = R2 = 0. Объяснить полученный результат.

42

Комментарий к задаче №1122 Фрагмент сечения фотоприемника на квантовых ямах

схематично показан на рис.1.16. Заштрихованные области – узкозонный полупроводник. Границы раздела между узкозонным и широкозонным полупроводниками, на которых коэффициенты отражения имеют значения R1 и R2, также показаны на рис. 1.16.

Рис.1.16. Схема фрагмента сечения фотоприемника на квантовых ямах

22 Смотрите сначала комментарий к задачам № 4-6 2009 года

43

Коэффициент отражения R – отношение мощности оптического излучения, отраженного от границы раздела двух сред к мощности падающего излучения. Излучение, поглощаемое в узкозонном полупроводнике, преобразуется в электрический сигнал и только оно является полезным для работы фотоприемника. В широкозонном полупроводнике излучение не поглощается, т.к. в нем нет энергетических уровней или зон, энергия которых соответствует энергии фотона.

Поглощение оптического излучения подчиняется закону Бугера-Ламберта

P(x) = P0e-αx,

где: x – координата в направлении, перпендикулярном поверхности полупроводника, совпадающим с направлением падения излучения, начало координат лежит на поверхности, P(x) – мощность оптического излучения в точке с координатой x, P0 – мощность излучения на поверхности, e – число Эйлера, α – коэффициент поглощения.

Для решения задачи воспользуйтесь справочными данными: скорость света – c ≈ 3·108 м/с; постоянная Планка – h ≈ 6,63·10-34 Дж·с; число Эйлера – e ≈ 2,72.

44

Решения задач олимпиады 2009 года

ЧАСТЬ А. Физика наномира: электрические свойства нанообъектов

Задача №1. Электрическая емкость наночастицы и земного шара. Решение задачи определяется по известной из школьного курса физики формуле:

C0 = Qϕ = 4πε0 R = 4×3.14 ×8.85 ×10−14 Ф/cм × 10-7см

= 1.1 × 10-19 Ф или 0,1 аттофарад (аФ)23,

где: φ – потенциал; R – радиус наночастицы; Q – заряд; εо – диэлектрическая проницаемость.

Емкость земного шара определяется той же формулой. Радиус Земли равен примерно RЗ 6400 км = 6.4 108 см, а ее электрическая емкость составляет всего CЗ 0.0007 Ф.

Задача №2. Заряд на островке металла. Решение задачи

(с учетом решения для задачи №1) определяется формулой: C0 V / q 0.7 , где q – заряд электрона.

Пояснение: количество электронов на островке металла измеряется целым числом электронов, только если он изолирован. Заряд на кусочке металла, подсоединенного к источнику питания, не обязательно должен выражаться целочисленным значением количества электронов и может изменяться непрерывным образом за счет эффекта смещения распределения плотности большого количества электронов.

23 Известно, что фарада (Ф) – единица измерения электрической емкости в системе СИ и это очень большая емкость. Ёмкостью 1Ф обладал бы уединённый шар, радиус которого был бы равен 13 радиусам Солнца. В Википедии можно найти обозначения десятичных кратных приставок для более «мелких» значений электрической емкости, например, аФ

(аттофарада): http://ru.wikipedia.org/wiki/Farad

45

Задача №3. Зарядка Земли одним электроном. Ответы на поставленные вопросы:

1) Для того, чтобы доставить заряд CV на электрод, необходимо преодолеть отталкивающий потенциал электрода, который во время зарядки возрастает от 0 до V со средним значением V/2. Поэтому, энергия, требуемая на зарядку электрода равна:

1Q V CV 2

22

2)Для того, чтобы преодолеть отталкивающий потенциал кусочка металла, который во время зарядки возрастает от 0

до

q / 4 0 R0 со

 

средним

 

значением

0.5 q / 4 0 R0 ,

необходимо затратить энергию:

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

q2

 

 

q2

 

1.2 10-19Дж.

 

 

2 4

 

 

 

 

 

 

0

R

2C

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

Соответственно для одного электрона:

q

0.72 эВ.

 

2C0

3)

Для зарядки

Земли

одним электроном требуется

ничтожная энергия:

 

q

 

10-16 эВ.

 

 

 

 

 

2Cz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЧАСТЬ Б. Элементы ИМС и ИНС и устройства на их основе

Задача №4. Фотоприемная матрица на основе наногетероструктур. Как сказано в комментариях к задаче, в фотоприемниках на квантовых ямах поглощение фотонов вызывает переход электронов между разрешенными уровнями энергии в квантовой яме. Определим энергию фотона hυ, обеспечивающего переход электрона с уровня Е1 на уровень Е2:

46

hυ = Е2- Е1 = 0,125 эВ.

Определим длину волны λ, соответствующую этой энергии: υ = c/λ, где с – скорость света, следовательно, hc/λ = Е2- Е1, отсюда λ = 9,93 мкм.

Определим разность энергий Е дна зоны проводимости широкозонного и узкозонного полупроводников (рис. 1.6):

Е = (Еg2 – Еg1)/2 = 0,175 эВ.

Отсюда видно, что положение уровня Е2 совпадает с дном зоны проводимости широкозонного полупроводника. Поэтому при попадании на структуру фотонов с энергией, большей Е2 – Е1,они также будут поглощаться и вызывать переходы электронов с уровня Е1 в зону проводимости широкозонного полупроводника. Следовательно, фотоприемник будет работать и при длине волны, меньшей, чем определена выше. Значит, расчетное значение будет: λ < 9,93 мкм.

Рис.1.17. Схема сечения фрагмента фотоматрицы

47

Задача №5. Фотоприемная матрица инфракрасного (ИК) диапазона для передачи изображения телевизионного стандарта. Для наглядности решения удобно нарисовать фрагмент сечения фотоматрицы вдоль строки (или столбца) –

рис.1.17

Как видно из рисунка, при изотропном травлении (скорость травления одинакова во всех направлениях) при травлении образца в глубину происходит растравливание вдоль поверхности на такую же величину. Поэтому необходимо определить толщину w слоя, подлежащего травлению:

W = hr + n (he+ hi) + hi = 2670 + 50 (5 + 45) + 45 = 5215 нм.

Оценим минимально допустимый шаг L чувствительных элементов в фотоматрице. Как видно из рисунка:

L = 2w + d + l = 2×5,215 + 1+ 1 = 12,43 мкм.

Определим число элементов в фотоматрице: число строк задано N = 600, соотношение сторон в современном телевизионном стандарте составляет 3:4. Следовательно, при квадратной форме чувствительного элемента число столбцов в матрице М = 800.

Определим требуемую площадь S без учета ширины периферийных участков:

S= (N×L) × (M×L) = 600×800×(12,43)2 = 74162352 мкм2

~74.2 мм2.

Задача №6. Снайпер, вооруженный инфракрасным прицелом. Определим величину фототока Iф, который может «почувствовать» фотоматрица. Это можно сделать, зная

вызываемое этим

током

изменение

напряжения U на

емкости интегрирования C.

U = Q/C,

где Q – изменение

заряда на емкости.

Q = U·С = Iф·Тк = Iф/f. Отсюда:

 

 

48

 

Iф = U·С·f = 10-3·10-12·50 = 5·10-14 А.

Определим мощность P1 излучения, обеспечивающего найденный фототок фотоприемной ячейки, зная ее фоточувствительность:

Iф = P1R = P1αGq/hυ.

Отсюда получаем P1 = Iфhυ/αGq = 1,72·10-14 Вт. При этом считаем энергию фотона для средней длины волны из диапазона фоточувствительности λ = 9 мкм.

Определим плотность мощности излучения Pфп, падающего на фотоприемник. Найденная величина P1 – мощность излучения, падающего на элементарную фотоприемную ячейку. Для нахождения плотности мощности ее необходимо разделить на площадь фотоприемной ячейки:

Рфп = P1/ S1,

S1 = 30·30·10-12 = 9·10-10 м2,

Рфп = 1,9·10-5 Вт/м2.

Определим плотность мощности Pвх оптического излучения на входе оптической системы, зная коэффициент усиления оптической системы:

Pфп = Pвх·Kопт = PвхηоSвх/Sфп,

где: Sвх = πD2/4 = 201 мм2 и Sфп = 75 мм2 – площади входного отверстия объектива и фотоприемной матрицы

соответственно. Отсюда имеем: Pвх = 9,53·10-6 Вт/м2. Определяем плотность мощности излучения солдата про-

тивника Bэ. По таблице 1.1 для температуры тела человека (310 К) в диапазоне длин волн 8-10 мкм находим Bэч = 73,2 Вт/м2. Отсюда следует, что Bэ = КBэч = 0,6·73,2 = 43,92 Вт/м2.

49

Определяем

расстояние l обнаружения

солдата

противника. Зная

плотность мощности на входе оптической

системы и плотность мощности излучения

солдата

противника, записываем соотношение Pвх = ηсBэ S/l2, где S излучающая площадь объекта наблюдения, т.е. площадь лица солдата. Для оценки этой площади можно принять, что она представляет собой круг диаметром 200 мм, тогда S = 0,03 м2. Подставляя найденные величины, определяем расстояние l = 288 м. Поскольку ряд параметров при расчете носят оценочный характер, можно сказать, что искомое расстояние составляет около 300 м.

Задача №7. Одноэлектронный транзистор при комнат-

ной температуре. Изменение энергии при заряде одним

электроном равно E

e2

, тогда

C

e2

 

. Если допустить,

2C

2 E

 

 

 

 

 

 

 

 

что E 10kT , то

C

 

e2

 

 

 

 

 

.

Тогда

для температуры

2 10 kT

T =300 К емкость конденсатора составляет C =3·10-19 Ф.

Задача №8. Площадь обкладок конденсатора для одноэлектронного транзистора. Ёмкость конденсатора

составляет

C

0 S ,

отсюда

площадь

обкладок

равна

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

S

C d

.

При

этом

 

и

 

(для SiO)

составляют

соот-

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ветственно 8.85·10-12 Ф/м и 6,

d = 10 нм. Тогда: S =2·10-16 м2.

Для квадратных обкладок конденсатора сторона квадрата составляет 4 нм.

Задача №9. Тепловыделение процессора современного компьютера. Решение выглядит так:

N Cn Vdd2 f 10-8 см-2х10-14хФх12 В2х10-9 с-1 = 100 Вт/см2

50