4304
.pdf
11
Для исследований используется селеновый фотоэлемент (солнечная батарея), представляющий собой контакт дырочного полупроводника (селен) и металла (железная подложка). Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около 1 мкм, нанесенного на стеклянную пластинку. На поверхность полупроводника нанесены токонесущие электроды.
Рис. 3. Схема установки для исследования фотоэлектрических явлений в полупроводниках
Вопросы на дискуссию по теме «Температурное сканирование биокомпозитов»
1.Какими механизмами можно моделировать процесс пироэлектрического эффекта в древесине?
2.Перечислите области практического применения пироэлектрических свойств полимеров и полимерных композитов.
3.В рамках какой физической модели рассмотрены механизмы возникнове-
ния пироэлектричества в полимерах?
4. Обоснуйте адекватность базовой модели предложенной феноменологиче-
ской теории возникновения пироэлектрического эффекта в древесине.
5. Составьте конспект вывода основного уравнения поляризационного эф-
фекта в древесине.
6. В рамках какой физической модели можно получить разность потенциалов в древесине при перепаде температуры окружающей среды?
12
Тема практического занятия «Исследование сопротивления полупроводникового терморезистора с помощью МУК ФОЭ 1»
Задача – определить коэффициент температурной чувствительности и ширину запрещенной зоны терморезистора. Представить отчет по результатам исследований с оценкой точности используемой методики эксперимента и физики наблюдаемых явлений.
Теоретический минимум Основополагающий принцип. Квантовомеханический принцип за-
прета Паули, согласно которому каждое состояние может быть занято не более чем одним электроном.
Терморезистором (термистором) называется полупроводниковое сопротивление, величина которого резко зависит от температуры. Ма-
лые габариты, высокая механическая прочность и надежность, большой срок службы и высокая чувствительность терморезисторов определили их широкое применение в приборах для измерения и регулирования температуры, температурной компенсации элементов электрических цепей, измерения мощности электромагнитного излучения и т.д.
У большинства термисторов сопротивление уменьшается с увеличением температуры, т.е. их дифференциальное сопротивление отрицательно.
Свойства термисторов определяются температурной характеристикой, которая представляет собой зависимость сопротивления R от температуры Т и носит экспоненциальный характер:
R = R∞ exp B/T, |
(5) |
где R∞ – постоянная, характеризующая материал и размеры термистора, В – коэффициент температурной чувствительности, который постоянен для данного термистора и зависит от свойств его материала, его можно определить из экспериментальных данных, используя зависимость:
B |
ln R1 / R2 |
, |
(6) |
|
1/ T 1/ T |
||||
|
1 |
2 |
|
|
где R1, R2 – сопротивления термистора при температурах Т1 и Т2.
13
Используемая аппаратура: модульный учебный комплекс МУК-
ФОЭ1, включающий в себя: стенд с объектами исследования С3-ТТ01 (см.
рис. 1); блок генератора напряжений ГН1; блок амперметра-вольтметра АВ1.
В стенде С3-ТТ01 установлен полупроводниковый оксидный терморезистор,
нагреватель, а также термометр, показывающий термодинамическую темпе-
ратуру Т.
Рис. 1. Принципиальная схема установки |
Рис. 2. Стенд с объектами исследования |
Кроме того, на практических занятиях проходит обсуждение индивидуальных заданий. Индивидуальное задание позволяет самостоятельно проверить усвоение дисциплины и выявить вопросы для обсуждения с преподавателем.
Варианты индивидуального задания Вариант №1
1. Известно, что в кристалле, в котором связи обусловлены силами Ван-дер-Ваальса, равновесное межатомное расстояние r0 = 1,50 Å, а энергия на 10% меньше, чем в случае, когда учитываются только силы притяжения. Чему
равна характерная длина , входящая в выражение: U = – |
A |
|
|
r |
|
||
|
|
B exp |
|
|
|
? |
|
|
6 |
|
|||||
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2.Определить плотность кристалла стронция, если известно, что кристаллическая решетка гранецентрированной кубической сингонии, а период решетки равен 0,43 нм.
3.Определить величину квазиимпульса фонона соответствующего час-
тоте =0,4 max. Усредненное значение скорости звука в кристалле < >=2000 м/с, характеристическая температура Дебая Д=150К. Дисперсией звуковых волн в кристалле пренебречь.
14
Вариант №2
1. Межатомное расстояние в положении равновесия r0 = 3Å, энергия диссоциации (расщепления нейтральной молекулы на противоположно заряженные ионы) молекулы Uд= – 4 эВ. Вычислить значения коэффициентов и, если n = 2, m = 10. Найти силы, стремящиеся вернуть атомы в положение равновесия при изменении межатомного расстояния r0 на 10 %.
2.Плотность кристалла NaCl равна =2,18 103 кг/м3. Атомный вес натрия равен 23, а хлора – 35,46. Определить постоянную решетки.
3.Определить скорость звука в кристалле поваренной соли, зная, что температура Дебая равна 1670 К и а=1,04 Å.
Вариант №3
1.Вычислить значение энергии кристаллической решетки NaCl, если постоянная n, характеризующая потенциал сил отталкивания, равна 9,4 , а постоянная Маделунга 1,75. Постоянная решетки NaCl равна 2,81 Å.
2.Чему равно число атомов в элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки?
3.Вычислить минимальную длину волны Дебая в титане, если его характеристическая температура 278 К, а скорость распространения звука
6000 м/с.
Вариант №4
1.Вычислить энергию отталкивания для КСl, если энергия диссоциа-
ции равна (–4,40) эВ. Принять r0 = 2,79 Å, энергию ионизации атома калия равной 4,34 эВ, энергию сродства атома хлора к электрону (–3,82 эВ).
2.Пусть гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки построены из одинаковых атомов, представляющих собой жесткие сферы с радиусом r. Показать, что часть объема, занятая атомами при таком располо-
жении, равна: 
2 0,74 .
6
3. Найти энергию фонона, соответствующего граничной частоте Дебая, если характеристическая температура Дебая равна 250 К.
Вариант №5
1.Рассмотреть, к каким возможным последствиям для постоянной решетки, сжимаемости и энергии решетки приведет удвоение заряда хлористого натрия, если считать, что потенциал отталкивания останется постоянным.
2.Два элемента а и b образуют кристалл аb, у которого решетка типа NaCl. Показать, что атомы, расположенные по диагонали грани куба, не мо-
гут касаться друг друга, если ra больше чем 2,44.
rb
3. Какова максимальная энергия фононов в кристалле свинца, если его характеристическая температура равна 94 К?
Текущий контроль тоже осуществляется на практических занятиях через обсуждение решений стандартных задач. Таким способом аспирант закрепляет информацию полученную в дискуссии.
|
15 |
|
Варианты тестовых заданий для текущего контроля |
|
Вариант №1 |
|
|
№ |
Формулировка вопроса |
1.Как изменится энергия электрона, соответствующая триплету (1,1,1) в 0- D объекте, если размер объекта увеличить в 2 раза?
1) |
увеличится в 2 раза |
2) уменьшится в 4 раза |
3) |
не изменится |
4) уменьшится в 2 раза |
2.На рисунке дана схема энергетических уровней атома водорода, а также условно изображены переходы электрона с одного уровня на другой, сопровождающиеся излучением кванта энергии. В ультрафиолетовой области спектра эти переходы дают серию Лаймана, в видимой области – серию
Бальмера, в инфракрасной области – серию Па- |
|
||
шена и т.д. |
|
|
|
Минимальная длина волны в серии Бальмера соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
3. Максимальная длина волны в серии Лаймана соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
4.Определите отношение минимальной длины волны в серии Бальмера к максимальной длине волны в серии Лаймана.
5.Трансляционная группа в кристалле называется …
1) |
зоной Брюллюена |
2) 1-D квантовым объектом |
||
3) |
решеткой Браве |
4) 2-Dквантовым объектом |
||
6. Какую минимальную энергию могут иметь в кристалле электроны? |
||||
|
1) W=Wd |
2) W=Wa |
3) W=Wc |
4) W=WV |
7.Как известно, распределение носителей заряда по уровням энергии не является равномерным и зависит от значения энергии W и температуры. Для дырок с энергией W функция распределения имеет вид…
1) |
Fn |
(W ,T ) Aexp((W Wc ) kT) |
2) Fn (W ,T ) 1 (exp((W WF ) kT) 1) |
3) |
Fn |
(W ,T ) Aexp( (W WV ) kT) |
4) Fn (W ,T ) Aexp(W kT) |
8.При низком уровне инжекции для концентраций неравновесных носителей справедливо…
|
|
|
1) np n02 |
2) np n02 |
3) np n02 |
4) n p |
||
|
|
|
|
Вариант №2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
№ |
|
|
Формулировка вопроса |
|
|
||
|
1. |
Как изменится энергия электрона, соответствующая триплету (1,1,1) в 0- |
||||||
|
|
D объекте, если размер объекта уменьшить в 2 раза? |
||||||
|
|
1) |
увеличится в 2 раза |
2) уменьшится в 4 раза |
||||
|
|
3) |
не изменится |
|
4) увеличится в 4 раза |
|||
16
2.На рисунке дана схема энергетических уровней атома водорода, а также условно изображены переходы электрона с одного уровня на другой, сопровождающиеся излучением кванта энергии. В ультрафиолетовой области спектра эти переходы дают серию Лаймана, в видимой области – серию
Бальмера, в инфракрасной области – серию Па- |
|
||
шена и т.д. |
|
|
|
Минимальная длина волны в серии Лаймана соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
3. Максимальная длина волны в серии Пашена соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=3, n2=4 |
4.Определите отношение минимальной длины волны в серии Лаймана к максимальной длине волны в серии Пашена.
5.Область значений волнового вектора, в пределах которой энергия электрона испытывает полный цикл своего изменения, называется…
1) |
зоной Брюллюена |
2) 1-D квантовым объектом |
3) |
решеткой Браве |
4) 2-D квантовым объектом |
6. Какую максимальную энергию могут иметь дырки? |
||
|
1) W=Wd |
2) W=Wa 3) W=Wc 4) W=WV |
7.Как известно, распределение носителей заряда по уровням энергии не является равномерным и зависит от значения энергии W и температуры. Для свободных электронов с энергией W функция распределения…
1) Fn (W ,T ) Aexp((W Wc ) kT) |
2) Fn (W ,T ) 1 (exp((W WF ) kT) 1) |
3) Fn (W ,T ) Aexp( (W WV ) kT) |
4) Fn (W ,T ) Aexp(W kT) |
8.При высоком уровне инжекции для концентраций неравновесных носителей справедливо…
1) np n02 |
2) np n02 |
3) np n02 |
4) n p |
|
|
|
|
|
Вариант №3 |
|
|
|
|
|
|
№ |
Формулировка вопроса |
|
|
1.Как изменится волновой вектор электрона, соответствующий триплету (1,1,1) в 0-D объекте, если размер объекта уменьшить в 2 раза?
1) |
увеличится в 2 раза |
2) уменьшится в 4 раза |
3) |
уменьшится в 2 раза |
4) увеличится в 4 раза |
2.На рисунке дана схема энергетических уровней атома водорода, а также условно изображены переходы электрона с одного уровня на другой, сопровождающиеся излучением кванта энергии. В ультрафиолетовой области спектра эти переходы дают серию Лаймана, в видимой области – серию Бальмера, в инфракрасной области – серию Пашена и т.д.
17
Минимальная длина волны в серии Пашена соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
3. Максимальная длина волны в серии Бальмера соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2)n1=3, n2=∞ |
3)n1=2, n2=3 |
4)n1=3, n2=4 |
4.Определите отношение минимальной длины волны в серии Пашена к максимальной длине волны в серии Бальмера.
5.Слой, толщиной соизмеримой с длиной волны де Бройля электрона называется.
1)зоной Брюллюена 2) 1-D квантовым объектом
3)решеткой Браве 4) 2-Dквантовым объектом
6.Чтобы полупроводник стал идеальным изолятором, в нем электроны должны обладать энергией W…
1) W>Wc |
2)W<WV |
|
3) W=Wg |
|
|
4)W=0 |
|
|
|
|
||
7. В результате примеси в полупроводнике появляются |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|||
неравновесные носители заряда n |
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
||
2n0 , и потенциал |
|
|
||||||||||
|
|
|
||||||||||
|
F |
E |
|
T |
|
n0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ферми определяется выражением справа. На сколько |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
процентов от φT увеличится потенциал Ферми (ln2=0,693)? |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1) 69,3% |
2)34,65% |
3) 0% |
4)50% |
|
|
|
|
|
|
|||
8.При любых процессах в полупроводниках для концентраций неравновесных носителей справедливо…
1) np n02 |
2) np n02 |
3) np n02 |
4) n p |
|
|
|
|
|
Вариант №4 |
|
|
|
|
|
|
№ |
Формулировка вопроса |
|
|
1.Как изменится волновой вектор электрона, соответствующий триплету (1,1,1) в 0-D объекте, если размер объекта увеличить в 2 раза?
1) |
увеличится в 2 раза |
2) уменьшится в 4 |
раза |
3) |
уменьшится в 2 раза |
4) увеличится в 4 |
раза |
2.На рисунке дана схема энергетических уровней атома водорода, а также условно изображены переходы электрона с одного уровня на другой, сопровождающиеся излучением кванта энергии. В ультрафиолетовой области спектра эти переходы
дают серию Лаймана, в видимой области – серию |
|
||
Бальмера, в инфракрасной области – серию Па- |
|
||
шена и т.д. |
|
|
|
Минимальная длина волны в серии Пашена соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4)n1=2, n2=∞ |
3. Максимальная длина волны в серии Лаймана соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=3, n2=4 |
4.Определите отношение минимальной длины волны в серии Пашена к максимальной длине волны в серии Лаймана.
5.Нить, с размерами сечения соизмеримыми с длиной волны де Бройля
|
|
18 |
|
|
|
электрона называется… |
|
|
1) |
зоной Брюллюена |
2) 1-D квантовым объектом |
3) |
решеткой Браве |
4) 2-Dквантовым объектом |
6.Чтобы полупроводник стал проводником, в нем часть электронов должны обладать энергией W…
1) W>Wc |
2) W<WV |
|
3) W=Wg |
4) W=0 |
|
|
|
||
7. В результате примеси в полупроводнике появляются |
F E T |
|
p |
|
|||||
неравновесные носители заряда p |
|
|
|
ln |
|||||
2n0 , и потенциал |
|||||||||
n0 |
|||||||||
|
|
||||||||
Ферми определяется выражением справа. На сколько |
|
|
|
|
|||||
процентов от φT уменьшится потенциал Ферми (ln2=0,693)? |
|
|
|
||||||
1) 69,3% |
2)34,65% |
3) 0% |
4) 50% |
|
|
|
|||
8.При термодинамическом равновесии для концентраций неравновесных носителей справедливо…
1) np n02 |
2) np n02 |
3) np n02 |
4) n p |
|
|
|
|
|
Вариант №5 |
|
|
|
|
|
|
№ |
Формулировка вопроса |
|
|
1. Как изменился линейный размер объекта 0-D, если энергия электрона соот- |
|||
ветствующая триплету (1,1,1) в объекте увеличилась в 4 раза. |
|||
1) увеличился в 2 раза |
2) уменьшился в 4 раза |
||
3) не изменился |
4) уменьшился в 2 раза |
||
2.На рисунке дана схема энергетических уровней атома водорода, а также условно изображены переходы электрона с одного уровня на другой, сопровождающиеся излучением кванта энергии. В ультрафиолетовой области спектра эти переходы дают серию Лаймана, в видимой области – серию Бальмера, в инфракрасной области – серию Пашена и т.д.
Минимальная длина волны в серии Бальмера соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
3. Максимальная длина волны в серии Лаймана соответствует переходу… |
|||
1) n1=1, n2=2 |
2) n1=3, n2=∞ |
3) n1=2, n2=3 |
4) n1=2, n2=∞ |
4.Определите отношение максимальной длины волны в серии Лаймана к минимальной длине волны в серии Бальмера.
5.Свободный электрон в кристалле называется …
1) зоной Брюллюена 2) 0-D квантовым объектом
3)решеткой Браве 4) 3-Dквантовым объектом
6.Чтобы примесный полупроводник обладал n-проводимостью, электроны из примесных атомов должны обладать уровнем энергии…
|
|
1) W>Wd |
2) W<Wa |
3) W=Wg |
4) W=0 |
|
7. |
Уровень |
Ферми |
для |
полупроводника определяется выражением |
||
|
WF WV kT ln(Na |
Nv ) . О каком полупроводнике идет речь? |
||||
|
1) n-типа |
2) p-типа |
3) собственный п/п 4) это не полупроводник. |
|||
8. |
Состояние динамического равновесия характеризуется отсутствием токов |
|||||
19
через полупроводник. Как в этом состоянии должен изменится коэффициент диффузии электронов, если при постоянной подвижности температура полупроводника возрастет в 2 раза?
1) увеличится в 2 раза |
2) уменьшится в 4 раза |
3) не изменится |
4) уменьшится в 2 раза |
ПРИМЕРНЫЕ ТЕМЫ ДОКЛАДОВ (РЕФЕРАТОВ)
1. Рентгеновская дифракция и перспективы ее использования при исследова-
нии гетероструктур.
2.Дифракция электронов и нейтронов и перспективы ее использования при исследовании высокомолекулярных биокомпозитов.
3.Проблемы использования ИК-спектроскопии в исследованиях древесины.
4.Исследование термополяризационных свойств твердых тел с помощью температурного сканирования.
5.Электронная микроскопия при исследовании биокомпозитов.
6.Исследование теплопроводности высокомолекулярных композитов мето-
дом ТСД.
7. Температурное сканирование биокомпозитов.
Аспиранту необходимо научиться грамотно представлять и излагать материал. Поэтому при построении и изложении доклада (реферата) следует придерживаться следующих пунктов:
1.Название статьи (реферата или доклада) должно емко отражать суть исследуемой проблемы.
2.Аннотация кратко отражает не только суть проблемы, но и обоснование методов решения и полученный результат. При этом она не должна включать сносок на список литературы.
3.Во введении необходимо:
1.Обосновать актуальность проблемы.
2.Определить цель проведенных исследований.
3.Грамотно поставить задачу.
4.В основной части надо:
1.Кратко описать методы экспериментальных исследований.
2.Последовательно изложить результаты экспериментов.
3.Провести теоретический анализ.
4.Кратко сформулировать выводы.
5.В заключении подводится итог проделанной работы.
20
6. Список используемой литературы должен быть грамотно сформирован и представлен в соответствии с ГОСТом.
Оформление титульного листа:
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Г.Ф. МОРОЗОВА»
Кафедра общей и прикладной физики
Тема доклада (реферата)____________________________________________
_________________________________________________________________
Представил _____________________________________________________
(ФИО)
Руководитель ____________________________________________________
(должность, степень, звание ФИО)
Год