4350
.pdf11
Выполнение индивидуальных заданий максимально приближает обучение к практическим интересам с учетом имеющейся информации и является результативным методом закрепления знаний.
Пример оформления расчетного индивидуального задания
Условие: Определите высоту потенциального барьера на p-n+ переходе на базе арсенида галлия при комнатной температуре, если донорная примесь превышает акцепторную в 1,2 раза, а концентрация донорной примеси 108 см-3. Концентрация собственных носителей в арсениде галлия 1,8∙106 см-3.
Краткая запись |
Анализ данных |
|
|
Решение |
|
|||
условия |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Дано: |
|
При образовании p-n+ перехода в тон- |
||||||
p-n |
1эВ=1,6∙10-19Дж |
ком слое на границе примесей образу- |
||||||
t= tк= 20о С |
T=273+20=293 К |
ется потенциальный барьер, препятст- |
||||||
Na Nd 1,2 |
|
вующий возникновению токов через |
||||||
Nd=108 см-3 |
Nd=1014 м-3 |
p-n+ переход, величина которого опре- |
||||||
ni=1,8∙106 см-3 |
ni=1,8∙1012 м-3 |
деляется выражением: |
|
|
|
|||
Найти: E – ? |
|
|
к |
ln( N |
a |
N |
d |
n2 ) . |
|
|
|
T |
|
i |
|||
|
|
Здесь T kT e ; Nd, Na – концентрация |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
донорной и акцепторной примеси, ni – концентрация собственных носителей в полупроводнике, T – температура, e=1,6∙10-19Кл – заряд электрона, - k 1,38 1023
|
|
|
1,38 10 23 |
293 |
ln(1,2 |
N 2 |
n2 ) 0,0253 (2ln( N |
n ) 0,18) 0,2078В 207,8мВ |
||
T |
|
|
|
|
||||||
|
|
1,6 |
10 19 |
|
d |
i |
d i |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Проверяем размерности:
T к Дж Дж В
к Кл Кл
Ответ: При таких условиях на p-n+ переходе возникнет потенциальный барьер, высота которого равна 207,8мВ.
Пример оформления результатов формализованного моделирования
Условие: Определите износостойкость ПЗУ с объемом памяти 8 Гб если известно, что в схеме недавно произошли серьезные конструкторские из-
12
менения, она предназначена для коммерческого использования в наземных условиях при температуре около 23оС.
Цель работы: ознакомиться с методами оценки износостойкости ПЗУ, составить с помощью электронных таблиц Excel программу для формализованного моделирования зависимости износостойкости ПЗУ от величины объема памяти. Определить с помощью составленной программы износостойкость ПЗУ с объемом памяти 8 Гб при условии, что в схеме недавно произошли серьезные конструкторские изменения, она предназначена для коммерческого использования в наземных условиях при температуре около 23оС.
Описание модели, постановка задачи
Интенсивность отказов для ПЗУ вычисляется по формуле:
ПL ПQ ( С1 ПT1 С2 ПE )ПP ,
где ПL – коэффициент настроенности технологического процесса, для условий задания ПL 10 ; ПQ – коэффициент уровня качества зависит от сферы эксплуатации ПЗУ ПQ 300 ; С1, С2 – коэффициенты сложности схемы, зависящие от объема памяти ПЗУ (числа бит); ПТ1 0,15 – коэффициент ускорения, определяемый температурой перехода; ПЕ 1 – коэффициент жесткости условий эксплуатации для наземных условий, П p 1,1 – коэффициент,
зависящий от количества выводов для ПЗУ. Все выше перечисленные параметры определяются из таблиц. При этом значения коэффициентов сложности определены лишь до 16384 бит. Поэтому требуется моделирование зависимости λ(Tj,Z) (Z – объем памяти). Температура перехода определяется для ПЗУ выражением:
Tj = Tокр.ср. + 25 °С,
где Tокр.ср – температура окружающей среды.
Print Screen программы Excell
13
Зависимость износостойкости от объема памяти моделировалась, как
λ=A0(1-exp(-Z/Z1)),
где A0 и Z1 – параметры, с помощью которых происходит интерпретация модели к данным из таблиц для коэффициентов сложности ПЗУ.
Выводы:
1.В рамках общего подхода вычислительный эксперимент показал, что интенсивность отказов с увеличением сложности стремится к постоянному значению A0.
2.В заданных условиях результаты вычислительного эксперимента хорошо согласуются с данными статистики при условии, что A0 = 75 1/час.
3.В результате проведения вычислительного эксперимента можно с высокой вероятностью утверждать, что интенсивность отказов для ПЗУ 8Гб равна 75 1/час.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОТЧЕТА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ
Выполнение экспериментальных исследований формирует у студентов навыки проведения тестовых испытаний цифровых схем, оформления отчета, анализа полученных результатов и формулировке вывода по проделанной работе, что является фундаментом для научно-исследовательской деятельности.
В процессе подготовки к проведению экспериментальных исследований студент прежде всего овладевает способами постановки цели и выбора путей ее достижения. Для этого надо переписать из методических указаний в отчет название наименование и цель экспериментальных исследований и составить иерархическую структуру цели.
Далее надо переписать в отчет описание модели и провести постановку задачи.
Оформление описания модели, постановка задачи
Для оформления теоретических основ проводимых исследований в методических указаниях предусмотрен раздел «Описание модели, постановка задачи», в котором в доступной для восприятия форме представлена необходимая для выполнения работы информация. В процессе изучения раздела необходимо:
1)найти и выписать определение искомой технической характеристики или технологического параметра, значение которого станет численным результатом выполнения работы;
2)найти и записать условия проведения стендового испытания,
14
3)привести в отчете формулировку фундаментальной закономерности, которую предстоит использовать в работе;
4)сделать рисунки, поясняющие формулировки, правила и закономерности;
5)разбить цель работы на иерархическую структуру выполнимых за-
дач.
Проверкой качества восприятия информации послужат ответы на контрольные вопросы, приведенные в конце методических указаний по данной работе.
Оформление методики эксперимента
Для подготовки к экспериментальной части исследований предусмотрен раздел «Методика эксперимента», который поможет студенту применить методы математического анализа и моделирования для достижения цели работы. В процессе изучения раздела необходимо:
1)понять и записать в отчет вывод формульного выражения для получения значения параметра, являющейгося численным результатом работы (итоговое или расчетное выражение), особо отметив элементы моделирования (пренебрежение некоторыми внешними факторами) и сделав необходимые рисунки;
2)привести в отчете принципиальную схему испытаний с пояснениями, как и с какой точностью будут измерены параметры, входящие в итоговое формульное выражение;
3)записать в отчет таблицу для испытаний и численные значения параметров установки и заданных констант, необходимых для начала эксперимента;
4)разобраться, из каких блоков состоит установка и какова роль каждого из них.
В некоторых лабораторных работах используются модульные учебные комплексы, оснащенные современной цифровой измерительной аппаратурой. Это является инновационным подходом в образовательных технологиях. Такой подход позволяет студенту научиться самостоятельно вырабатывать индивидуальные методы организации и проведения эксперимента.
Оформление результатов измерения
Результаты измерения являются важной частью любого научного исследования, поскольку несут основную информацию о проведенных исследованиях и могут быть использованы при решении огромного круга задач, обретение навыков их грамотного анализа является основой всех компетенций будущего профессионала. Поэтому студент внимательно изучает поря-
15
док проведения лабораторной работы и в отчете формирует таблицу результатов эксперимента, рекомендованную пособием по лабораторному практикуму, делает обработку результатов измерения и определяет погрешности измерений.
На основании результатов эксперимента необходимо сделать и записать в отчет вывод по проделанной работе, в котором в соответствии с целью работы указывается:
1) что наблюдалось при проведении эксперимента и при каких услови-
ях;
2)какой параметр и каким методом был измерен;
3)приводится доверительный интервал для искомого параметра или делается вывод об обоснованности аналитического выражения для его оценки;
4)полученный экспериментальный результат сопоставляется с теоретической оценкой или с табличным значением;
5)указывается ошибки величин, измерения которых внесли основной вклад в погрешность измеренного параметра.
Рекомендуем внимательно ознакомиться с образцом оформления отчета о проведении экспериментального исследования.
Образец оформления экспериментального исследования
ИЗУЧЕНИЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Цель работы: использовать знания об особенностях структуры ферромагнетиков при построении гистерезиса намагниченности опытного образца во внешнем магнитном поле для измерения его магнитной проницаемости в рамках практикума теоретических и экспериментальных исследований.
1)В основе исследований лежат особенности структуры ферромагне-
тиков.
2)В процессе исследований будет наблюдаться влияние на структуру ферромагнетика внешнего магнитного поля.
3)Итоговым результатом станет гистерезис намагниченности опытного образца и значение его магнитной проницаемости.
ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1) Особенности структуры ферромагнетиков: при перемагничивании ферромагнетиков в переменном поле Н = f(t) процесс изменения магнитной индукции B поля в образце характеризуется симметричной замкнутой кривой, которая, вследствие запаздывания изменения индукции, называется
16
петлей гистерезиса. Магнитной проницаемостью ферромагнетика называется величина, определяемая как:
1 B .0 H
2) При размещении ненамагниченного ферромагнетика (поликристаллического образца) во внешнем магнитном поле, например, в поле соленоида с током, происходит его принудительное или «техническое» намагничивание, при котором все домены образца полно-
стью или частично ориентируются в направлении напряженности намагничивающего поля.
3) Цель работы включает в себя решение следующих задач: построение петли гистерезиса намагниченности опытного образца во внешнем магнитном поле с помощью специальной установки, определение магнитной проницаемости ферромагнетика, расчет доверительного интервала для искомой величины, анализ результатов, составление выводов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Магнитная проницаемость ферромагнетика может быть определена через максимальные значения Вm и Нm, относящиеся к любой из основных петель гистерезиса (см. рис.), по формуле:
1 Bm ,0 Hm
где 0 = 4 10-7 Г/м.
Схема установки содержит следующие элементы: генератор переменного напряжения (блок ГН1); ФО – ферромагнитный образец (сердечник трансформатора); N1 – намагничивающая обмотка; N2 – измерительная обмотка; R и С – резистор и конденсатор RC-цепочки; R1 – резистор для получения напряжения Ux; электронный осциллограф. Все эти элементы находятся на стенде С3-ЭМ01.
17
Энергия гистерезисных потерь, расходуемая за один полный цикл перемагничивания какого-либо образца, равна произведению объема образца Vo на площадь петли гистерезиса в координатах (В, Н), т.е.
W V0 H dB .
Она переходит в тепловую энергию образца. При перемагничивании ферромагнетик нагревается. Мощность, расходуемая за один цикл Т = 1/ на перемагничивание ферромагнитного образца, по определению:
|
|
|
|
|
P |
W |
W . |
|
|
|
|
|
T |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ее можно определить по формуле: |
|
||||||
|
|
|
|
|
P Sr , |
||
где Kx K y |
|
N1 RC |
; Sr |
X dY |
– площадь петли гистерезиса на экране |
||
|
|
|
|||||
|
|
N2 R1 |
|
|
|
|
осциллографа в координатах (х; у), измеряемая в квадратных делениях шкалы экрана осциллографа.
Вывод:
1)В основе исследований лежит доменная намагниченность ферромагнетиков, выраженная в их магнитном гистерезисе во внешнем переменном магнитном поле.
2)Значение магнитной проницаемости с учетом погрешности осциллографа
18
1500 150.
3) В современных компьютерных технологиях ферромагнетики используются как накопители и хранители информации (жесткие диски).
Экспериментальные исследования проводятся в группах по 3-5 человек в соответствии с распределенным в начале семестра вариантом индивидуальной траектории, в котором указываются темы исследований.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ РЕФЕРАТОВ
Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд разделов. Преподаватель сообщает студентам содержание данных разделов и организует контроль знаний по заявленным темам. По результатам изучения приведенных тем студент составляет конспект или оформляет реферат. Темы заданий, вынесенных на самостоятельную работу, приводятся в таблице.
№ п/п |
Тема |
Номер источника |
|
|
|
1. |
Пеленгующие устройства. |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
|
интернет-источники |
2. |
Полупроводниковые лазеры и их характеристи- |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
ки. |
интернет-источники |
3. |
Новейшие технологии получения p-n переходов |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
с лазерным легированием. |
интернет-источники |
4. |
Диоды Ганна. Лавино-пролетные диоды. СВЧ |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
генерация в аналоговой электронике. |
интернет-источники |
5. |
Приборы аналоговой электроники на двумерном |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
электронном газе |
интернет-источники |
6. |
Приборы аналоговой электроники с резонанс- |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
ным туннелированием. |
интернет-источники |
7. |
Интерференционные приборы, приборы с одно- |
осн. л. 1, 2; доп. л. 1; |
|
мерной и ноль-мерной проводимостью. |
интернет-источники |
Подготовка рефератов направлена на развитие и закрепление у студентов навыков самостоятельного глубокого, творческого и всестороннего анализа научной, методической и другой литературы по актуальным проблемам дисциплины; на выработку навыков и умений грамотно и убедительно излагать материал, четко формулировать теоретические обобщения, выводы и практические рекомендации.
Рефераты должны отвечать высоким квалификационным требованиям в отношении научности содержания и оформления.
Темы рефератов, как правило, посвящены рассмотрению одной проблемы. Объем реферата может быть от 5 до 15 страниц машинописного текста (список литературы и приложения в объем не входят).
19
Текстовая часть работы состоит из введения, основной части и заключения.
Во введении студент кратко обосновывает актуальность избранной темы реферата, раскрывает конкретные цели и задачи, которые он собирается решить в ходе своего небольшого исследования.
Восновной части подробно раскрывается содержание вопроса (вопросов) темы.
Взаключении кратко должны быть сформулированы полученные результаты исследования и даны выводы. Кроме того, заключение может включать предложения автора, в том числе и по дальнейшему изучению заинтересовавшей его проблемы.
Всписок литературы студент включает только те документы, которые он использовал при написании реферата.
Вприложении (приложениях) к реферату могут выноситься таблицы, графики, схемы и другие вспомогательные материалы, на которые имеются ссылки в тексте реферата.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ
КЭКЗАМЕНУ
Впериод подготовки к экзамену студенты вновь обращаются к пройденному учебному материалу. При этом они не только закрепляют полученные знания, но и получают новые.
Литература для подготовки к экзамену рекомендуется преподавателем либо указана в учебно-методическом комплексе. Для полноты учебной информации и ее сравнения лучше использовать не менее двух учебников. Студент вправе сам придерживаться любой из представленных в учебниках точек зрения по спорной проблеме (в том числе отличной от преподавательской), но при условии достаточной научной аргументации.
Основным источником подготовки к экзамену является конспект лекций, где учебный материал дается в систематизированном виде, основные положения его детализируются, подкрепляются современными фактами и информацией, которые в силу новизны не вошли в опубликованные печатные источники. В ходе подготовки к экзамену студентам необходимо обращать внимание не только на уровень запоминания, но и на степень понимания излагаемых проблем.
20
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Изучение дисциплины следует начинать с проработки данных методических указаний по самостоятельной работе, особое внимание уделяя целям и задачам, структуре и содержанию курса.
Студентам рекомендуется получить в библиотеке ВГЛТУ учебную литературу по дисциплине, необходимую для эффективной работы на всех видах аудиторных занятий, а также для самостоятельной работы по изучению дисциплины.
Успешное освоение курса предполагает активное, творческое участие студента путем планомерной, повседневной работы.
Библиографический список
Основная литература
1.Титов В. С. Проектирование аналоговых и цифровых устройств [Электронный ресурс]: учебное пособие / В. С. Титов, В. И. Иванов, М. В. Бобырь. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 143 с. - ЭБС "Знаниум". - http://znanium.com/bookread2.php?book=422720
2. Панюшкин Н. Н. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы [Электронный ресурс] : доп. УМО вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений / Н. Н. Панюшкин; ВГЛТУ. - 2-е изд., стер. - Воронеж, 2016. - 131 с. - ЭБС ВГЛТУ.
Дополнительная литература
1.Умрихин, В.В. Физические основы электроники: Учебное пособие / В.В. Умрихин; Уником Сервис. - М.: Альфа-М: НИЦ Инфра-М, 2012. - 304 с.- ЭБС «Знаниум».
2.Физика. Электромагнитные явления в технических и естественных систем [Электронный ресурс] : лаб. практикум / В. И. Бородин, В. В. Саушкин, Н. С. Камалова, Н. Ю. Евсикова, В. И. Лисицын, В. А. Садохин; ВГЛТА. - Воронеж, 2014. - ЭБС ВГЛТУ.
3.Основы цифровой электроники. Физические основы промышленной электроники. Основы аналоговой электроники [Электронный ресурс] : лабораторный практикум / Н. С. Камалова, Н. Ю. Евсикова, В. И. Лисицын, В. В. Постников; ВГЛТУ. - Воронеж,
4.Физика. Квантовая физика. Лабораторный практикум/ Н.Ю. Евсикова, Н. С. Камалова, Б. М. Кумицкий, В. И. Лисицын, Н. Н. Матвеев, Н. Н. Панюшкин, В. В. Постников, В. В. Саушкин. - Воронеж: ВГЛТА, 2014. - ЭБС ВГЛТУ.