7,5 балл

Нестеров Егор Евгеньевич. Студент № 13. Группа № 5.

Задание №1

1. Рассчитайте энергию кванта микроволнового излучения с частотой (Ngrup+Nstudent) ГГц. Какой температуре соответствует эта энергия? Сравните эту энергию с энергией связи молекулы воды. До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы произошла ионизация?

Дано:

T - ?

Решение:

1) E = h ∙ f = 6.63 ∙ 10^-34 ∙ 18 ∙ 10⁹ = 11.934∙ 10^-24 Дж

2) E = ; T = = = 0,086 К

3) энергия связи молекулы воды E_cв = 0,2 эВ = 0,32 ∙ 10^-19 Дж

4) E << E_св

5) Т_св = = = 2319 К

1 балл

2. Какая плотность мощности микроволнового излучения считается допустимой в быту и на производстве по стандартам РФ? По международным стандартам? Оцените, как повысится температура тела человека за 8 и 24 часа при максимально допустимом уровне. В расчетах потерями тепла на внешнее охлаждение тела – пренебречь. Опишите особенности нагрева в разных частотных диапазонах.

По стандартам РФ, бытовой предельно допустимой плотностью микроволнового излучения считается на 50 см, на производстве – в расчете на 50 см;

По международным стандартам допустимой плотностью мощности микроволнового излучения считается 5-30 в расчете на 5 см; (Данные взяты с сайта http://www.it-med.ru/library/ie/el_magn_field.htm)

Оценим, как повысится температура тела человека при максимально допустимом уровне.

; ; примем массу человека m=80 кг, и теплоемкость человека (информация взята с сайта http://www.dpva.info/Guide/Engineers/HumanBeing/HumanBeingPhysics/)

Тогда за 8 часов

За 24 часа

Чем выше частота, тем выше плотность мощности микроволнового излучения, следовательно, будет наблюдаться повышение температуры.

1 балл

2. Информацию о галактическом окружении человечество получает из космоса со спутников, используя микроволновые каналы связи. Выберите один из снимков, полученных с рентгеновского телескопа Hubble(http://hubblesite.org/gallery/album/entire), который Вам более всего нравится.

1 балл

4. Область взаимодействия некоторого прибора составляет L=0.1*(Ngrup+Nstudent) мм. Рассчитайте угол пролета и коэффициент взаимодействия для этой области для вакуумного прибора с ускоряющим напряжением (Nstudent) кВ на частоте (Nstudent) ГГц. Как нужно изменить длину L, чтобы этот угол пролета реализовать в полупроводниковом приборе?

(формулы взяты из документа «Материалы для лекции 3.docx», ссылка https://yadi.sk/d/ESPBtMnzew2Sk)

Дано:

L = 1,8 мм

U = 13000 В

f = 13 ГГц

M,θ-?

Решение:

Вакуумный прибор:

Скорость пролёта: V = = 6,761 ∙10⁷ м/с

Угол пролёта: θ = = = 2.174 рад

Коэффициент взаимодействия: M = = 0.814

Для полупроводникового прибора:

Для напряженности поля > 10 кВ/см скорость дрейфа носителей достигает некоторого максимума, которое называют скоростью насыщения и обозначают . Значение этой скорости при температуре образца 300К приблизительно одинаково для всех полупроводников и составляет 10⁵м/c.

L= = = 1.8 мм

0,5 Балл

5. Сравните 2 типовых прибора- вакуумный и полупроводниковый по следующим параметрам:

1. Объемная плотность заряда;

2. Максимальная скорость движения заряженных частиц;

3. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

4. Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.

5. Для полупроводникового: рабочую «ширину» прибора, обеспечивающую мощность, эквивалентную вакуумному прибору, длину Дебая, плазменную частоту,

Параметры вакуумного прибора: ток 130 мА, ускоряющее напряжение 18кВ. диаметр потока 5 мм.

Полупроводникового: уровень легирования 13*10¹⁶см ^-3 , напряжение 25В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – 5 ГГц. Рабочая температура 400К.

(формулы взяты из документа «Материалы для лекции 3.docx», ссылка https://yadi.sk/d/ESPBtMnzew2Sk)

Дано:

ВП: I = 130 мА

U = 18 кВ

d = 5мм

ПП:= 13*10¹⁶см ^-3 

U = 25 В

h = 1мrм

f = 5 ГГц, Т = 400К

n, V, L, p, w -?

Решение:

Вакуумный прибор:

1. Объемная плотность заряда;

n = = 5.264 ∙ 10¹⁴ см^-3

2. Максимальная скорость движения заряженных частиц;

V = C = 3*10⁸ м/с

3. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

L = = = 0.075м

4. Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.

p = = = 5.383∙ 10^-8 А/(В^1,5)

Полупроводниковый прибор:

1. Объемная плотность заряда;

n ≈ 10¹⁶ см^-3

Объёмная плотность заряда в полупроводниковом приборе больше на 2 порядка

2. Максимальная скорость движения заряженных частиц;

v_нас=м/с - скорость насыщения

3. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

L = = = 0.025м

5. Для полупроводникового: рабочую «ширину» прибора, обеспечивающую мощность, эквивалентную вакуумному прибору, длину Дебая, плазменную частоту,

ω = 2π = 1.277* (Гц)

Рабочая «ширина» прибора , что соответствует порядку микроволнового диапазона, обеспечивающую мощность, эквивалентную вакуумному прибору Т.к. теоретический расчет плазменной частоты в вакуумном случае дает величину близкого порядка.

0 балл

6. Можно ли в полупроводниковых приборах обеспечить скоростную модуляцию заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики? На каком расстоянии будет обеспечиваться модуляция плотности зарядов? С какой средней скоростью будет двигаться электрон в приборе, с характерным размером области взаимодействия 0.1 мкм и приложенным напряжением 10В? Материал – арсенид галлия.

Данные взяты из книги «GaAs. Devices and circuits», автор: Michael Shur.

Глава 2-9. Electron Transport in Small Semiconductor Devices, стр 52-53.

Книга взята с ресурса (https://books.google.ru/books?id=-4_loqA4IIkC&pg=PA99&lpg=PA99&dq=Blakemore,+J.+S.,+J.+Appl.+Phys.+53,+10+%281982%29+R123-R181.&source=bl&ots=83Xeu-haWk&sig=u8b4QE_fqWv0f2gak1Oag2WvBwk&hl=ru&sa=X&ei=pxD6VOebBav6ygPK9YCwCA&ved=0CDMQ6AEwAw#v=onepage&q=Blakemore%2C%20J.%20S.%2C%20J.%20Appl.%20Phys.%2053%2C%2010%20(1982)%20R123-R181.&f=false)

В полупроводниковых приборах обеспечить скоростную модуляцию заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики, можно!

Если взять на начальном участке в области «низких» полей скорость пропорциональна напряженности электрического поля. Соответственно можно управлять скоростью, изменяя напряженность поля. При напряжении 10 В и области взаимодействия 1 мкм напряженность поля достигнет значения 1МВ/см > 10 кВ/см соответственно скорость будет постоянна и равна 10⁵м/с.

Модуляция плотности зарядов будет обеспечиваться до 10 кВ/см

1 балл За ИНТЕРЕС К ДЕЛУ!

7. Определите коэффициент шума усилительного прибора в дБ, если его эффективная шумовая температура (100+ Nstudent)К. Рассчитайте эффективную шумовую температуру двух таких приборов, включенных каскадно, если коэффициент усиления каждого13 дБ.

(формулы частично взяты из документа «материалы для лекции 5 шумы.docx» по ссылке https://yadi.sk/d/ESPBtMnzew2Sk)

Дано:

T_eff1= 113 К

K = 13 дБ

N, = ?

Решение:

• Фактор шума:

• Коэффициент шума:

13 dB в разах будет:

• Фактор шума для каскада:

Эффективная температура:

1.396- 1) = 118.8К

1 балл

8. Определите амплитуду «самосогласованного» напряжения на сеточном зазоре резонатора с бесконечной собственной добротностью, если амплитуда первой гармоники конвекционного тока на входе в резонатор равна Nstudent мА, угол пролета 90^О, ускоряющее напряжение Ngrup кВ, ток луча 1А.

(формулы частично взяты из документа «Мощность взаимодействия.docx» из материалов для 4 лекции, ссылка: https://yadi.sk/d/ESPBtMnzew2Sk)

Дано:

I_m1 = 13мА

I₀ = 1А

ξ = 90⁰

U_a = 5000 В

U_m1 = ?

Решение:

С другой стороны:

= I₀U_m1 → U_m1 = = 29.25 В

Ответ: U_m1 = 29.25В

0 балл

9. Объясните, где «работает» формула Найквиста, а где Ван-дер-Зила для расчета шумов. В чем разница введения понятий «эффективная» шумовая температура и «эффективное» шумовое сопротивление?

Материалы взяты из документа «материалы для лекции 5 шумы.docx» формулы 1.53-1.56 и пояснения к ним. (ссылка на источник в интернете https://yadi.sk/d/ESPBtMnzew2Sk)

Формула Найквиста:

Формула Найквиста для теплового шума в случае термодинамического равновесия. В реальных приборах условия такого равновесия нарушаются из-за наличия встроенных или приложенных «греющих» электрических полей, которые изменяют энергию электрических зарядов, а соответственно и величину шумовых флюктуаций.

Формула Ван дер Зила:

Эта формула определяет средний квадрат шумового тока , возникающего за счет диффузии заряженных частиц общим числом , в элементе резистора с температурой носителей в полосе частот . В данном выражении - поперечное сечение рассматриваемого элемента.

Формула Ван дер Зила сложнее формулы Найквиста, однако, она имеет более широкий диапазон применения, да и физику возникновения шумов отражает детальнее. Естественно, что в случае термодинамического равновесия эта формула должна трансформироваться в формулу Найквиста.

Вводя понятие эффективной шумовой температуры:

или эффективной шумовой проводимости:

, получим обычную запись формулы Найквиста для отсутствия термодинамического равновесия:

Выражение называют шумовым отношением, показывающим насколько прибор шумит сильнее, чем это предсказывает формула Найквиста

1 балл