- •0,5 Балл
- •Объёмная плотность заряда в полупроводниковом приборе больше на 2 порядка
- •Глава 2-9. Electron Transport in Small Semiconductor Devices, стр 52-53.
- •Прокомментируйте формулу для мощности взаимодействия электромагнитного поля и потока заряженных частиц. В чем заключается сложность нахождения данного интеграла?
7,5 балл
Нестеров Егор Евгеньевич. Студент № 13. Группа № 5.
Задание №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 Ecв = 0,2 эВ = 0,32 ∙ 10-19 Дж
4) E << Eсв
5) Тсв = = = 2319 К
1 балл
-
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
-
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
-
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
-
Сравните 2 типовых прибора- вакуумный и полупроводниковый по следующим параметрам:
-
Объемная плотность заряда;
-
Максимальная скорость движения заряженных частиц;
-
Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.
-
Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.
-
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:
-
Объемная плотность заряда;
n = = 5.264 ∙ 1014 см-3
-
Максимальная скорость движения заряженных частиц;
V = C = 3*108 м/с
-
Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.
L = = = 0.075м
-
Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.
p = = = 5.383∙ 10-8 А/(В^1,5)
Полупроводниковый прибор:
-
Объемная плотность заряда;
n ≈ 1016 см-3
Объёмная плотность заряда в полупроводниковом приборе больше на 2 порядка
-
Максимальная скорость движения заряженных частиц;
vнас=м/с - скорость насыщения
-
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
-
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!
-
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:
Teff1= 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
-
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 90О, 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:
Im1 = 13мА
I0 = 1А
ξ = 90⁰
Ua = 5000 В
Um1 = ?
Решение:
С другой стороны:
= I0Um1 → Um1 = = 29.25 В
Ответ: Um1 = 29.25В
0 балл
-
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