close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Квантовая физика (СР 15.03.04)

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова»
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению
подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств
ВОРОНЕЖ 2016
2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова»
Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Н. Матвеев,
В.В. Постников, В.В. Саушкин
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению
подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств
ВОРОНЕЖ 2016
3
УДК 530.145
Ф50
Евсикова Н.Ю. Квантовая физика [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки
15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств /
Н.Ю. Евсикова,
Н.С. Камалова,
В.И. Лисицын,
Н.Н. Матвеев,
В.В. Постников, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО
«ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 24 с. – ЭБС ВГЛТУ.
В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой
дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной
работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом направления,
образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.
Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки:
15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств. Они могут быть
использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм
обучения, а также при дистанционном обучении.
Табл. 7. Ил. 4. Библиогр.: 5 наим.
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».
Рецензент: заведующий кафедрой цифровых технологий факультета компьютерных наук
ВГУ, доктор физико-математических наук, профессор Кургалин С.Д.
Ответственный редактор
Евсикова Н.Ю.
 Коллектив авторов, 2016
 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
лесотехнический университет имени
Г.Ф. Морозова», 2016
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................................................ 5
Цели и задачи дисциплины .......................................................................................................... 5
Содержание разделов дисциплины ............................................................................................. 6
Общие положения по организации самостоятельной работы студентов ............................... 8
Методические рекомендации по работе над конспектом лекций ............................................ 9
Методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий............................... 9
Методические рекомендации по организации самостоятельной работы при подготовке к
лабораторному практикуму ........................................................................................................ 16
Методические рекомендации по подготовке рефератов ......................................................... 21
Методические рекомендации по подготовке к зачету ............................................................. 22
Методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы .......................... 23
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Квантовая физика» изучает фундаментальные законы,
лежащие в основе современных технологий. Например, законы квантовой
физики устанавливают связь между атомарной структурой материалов и
свойствами изделий из них, отражая физическую сущность нанотехнологий.
Поэтому освоение данной дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического и технологического профиля.
Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа
над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:
1) проработка лекций;
2) оформление отчетов по лабораторным работам;
3) выполнение индивидуальных и расчетных заданий;
4) самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;
5) подготовка к коллоквиумам и зачету.
Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой
дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной
деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке
применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.
Методические указания предназначены для студентов по направлению
подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и
производств. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами
всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном
обучении.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью изучения дисциплины «Квантовая физика» является формирование у студентов знаний и умений по анализу и синтезу квантовых систем,
основных элементов особенностей их формирования.
В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, лежащих в основе квантовой физики.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
– изучение основных законов квантовой механики и зонной теории
кристаллов;
– формирование у бакалавров представления о физических процессах и
основных закономерностях квантовой физики;
6
– овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и
полупроводниковых приборов;
– формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и
основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;
– освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем.
– формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.
В результате освоения дисциплины бакалавр должен:
знать:
– физические основы процессов в квантовых структурах, характеристики элементарных квантовых структур, основные закономерности зонной
модели;
уметь:
– использовать методы адекватного физического и математического
моделирования для решения задач современных технологий;
– определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;
владеть следующими навыками:
– применения основных методов физико-математического анализа для
решения типовых задач квантовой физики;
– использования основных принципов квантовой механики при оценке
возможности применения квантовых структур для успешного внедрения и
корректировки современных технологий;
– обработки и интерпретирования результатов эксперимента;
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение
Предпосылки квантовой механики. Открытие электрона. Свойства металлов, диэлектриков, полупроводников. Прикладная квантовая физика.
Раздел 1. Элементы квантовой механики
Законы внешнего фотоэффекта и гипотеза Планка в квантовой механике. Корпускулярно-волновой дуализм. Волна де Бройля. Соотношения Гейзенберга. Уравнение Шредингера общий случай и стационарное состояния.
Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры. Квантовый осциллятор. Квантовая модель атома водорода. Основные
7
операторы. Квантовые числа и правила перехода. Потоки частиц. Элементы
физики потоков и их взаимодействие с веществом. Элементарные частицы и
способы их регистрации. Элементы физики элементарных частиц. Радиоактивность и ее законы. Распределение Ферми-Дирака. Распределение БозеЭйнштейна. Теория теплоемкости твердых тел. Фононы. Взаимодействие
фононов с электронами.
Раздел 2. Квантовые системы
Квантовая точка, нить, 1-D-структура. Состояния электрона в квантовых структурах. Наноструктуры в современных нанотехнологиях. Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь. Физическая модель: кристалл, как идеальная 1-D-структура, полученная трансляцией элементарной
ячейки (решетка Браве). Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон
в линейной цепочке потенциальных ям.
Раздел 3. Элементы зонной теории
Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Число возможных состояний для
электрона в кристалле с энергией E>Ec. Дефекты в кристаллах. Доноры и акцепторы. Примесные уровни. Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для
числа электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника. Примесные п/п. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника. Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие. Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей. Неосновные носители. Инжекция. Экстракция. Время жизни неосновных носителей. Прямая рекомбинация. Уровни инжекции. Способы инжектирования неосновных носителей.
Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводников. Диффузия носителей заряда в полупроводниках. Длина свободного пробега электрона в полупроводниках. Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна.
Пространственный заряд.
Раздел 4. Квантовая физика p-n перехода
Современные способы получения p-n перехода. Процессы при образовании p-n перехода. Виды p-n перехода. Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n перехода. Разность потенциалов и диффузионный
поток через p-n переход. Гипотеза обеднения. Модель Эмберса-Мола. ВАХ
p-n перехода. Выпрямительные диоды. Обратный ток. Ёмкость p-n перехода.
8
Эффект Ганна. Тунельный эффект. Эффект Зеемана и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи.
Раздел 5. Физика полупроводниковых приборов
Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы
полупроводниковых диодов. Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока. Искажения сигнала. Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов.
Специальные диоды и характеристики области p-n перехода. Варикапы. Оптические свойства полупроводников. Светодиоды и фотодиоды. Диоды сверх высокой
частоты. Обратный ток и стабилитроны. Структура биполярного транзистора.
Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе. Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой. Транзистор с точки зрения зонной теории. Эквивалентная схема биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора. Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора. Динамический
режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка. Режим отсечки
и насыщения. Ключевой режим работы биполярного транзистора. Выходной ток
и температурная нестабильность биполярного транзистора. Контактная разность
потенциалов. Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная
зависимость тока через контакт. Обратный ток. Преимущества и недостатки.
Диоды Шоттки и их характеристики. Условия вырожденности полупроводников.
Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах. Структура полевого транзистора. Моделирование и стоковая характеристика.
Истоковая и стоковая характеристики униполярного транзистора. Основные параметры полевого транзистора.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Методические указания студентам по организации самостоятельной
работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:
 методические рекомендации по работе над конспектом лекций;
 методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;
 методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;
 методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;
 методические рекомендации по подготовке рефератов;
 методические рекомендации по подготовке к зачету.
9
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ
НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ
В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.
Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует
делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал
прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с
целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать
преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.
Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в
течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться
с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.
Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать
правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в
конце лекций.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
Важной составной частью изучения дисциплины «Квантовая физика»
являются индивидуальные задания, в ходе которых теоретический материал,
изученный на лекциях, закрепляется путем решения расчетных и качественных задач различного уровня сложности. Каждый студент получает свой вариант индивидуального задания.
В результате выполнения индивидуальных заданий студент должен
сформировать практические навыки:
– записи условия задачи, в котором выделяются известные данные и
конкретизируется вопрос (в процессе конкретизации определяется характеристика процесса, значение которой необходимо найти);
– обоснования выбора пути решения, в котором приводится основная
фундаментальная закономерность, позволяющая найти решение задачи;
10
– вывода основной формулы решения, получения по ней численного
значения, анализа полученного результата;
– формулировки ответа на вопрос, поставленный в задаче.
Для формирования перечисленных навыков студент должен самостоятельно решить несколько задач различного уровня сложности на пройденные
разделы дисциплины. При необходимости следует обращаться за консультацией к преподавателю. В процессе выполнения индивидуальных заданий рекомендуется обсуждение материала с другими студентами, во время которого закрепляются знания, а также приобретается практика изложения и обсуждения полученных знаний, развиваются коммуникативные навыки.
Перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими
разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в
рекомендуемом списке литературы. В процессе расчетов следует обратить
внимание на согласованность единиц измерения величин, входящих в формулы. (Не забывайте писать, в каких единицах получен результат). Рекомендуемые единицы измерения приведены в перечне используемых обозначений. Все арифметические вычисления следует выполнять с точностью до
трѐх значащих цифр, принятой для инженерных расчѐтов.
После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных студента.
При представлении задач обязательными элементами являются:
– текст задачи и числовые исходные данные;
– расчѐтные формулы;
– проверка размерностей.
В процессе защиты индивидуального задания студентам могут быть
предложены контрольные вопросы и задачи из соответствующего раздела
курса.
Небрежно оформленные и выполненные не по своему варианту индивидуальное задания к защите не принимаются.
Выполнение индивидуальных заданий максимально приближает обучение к практическим интересам с учетом имеющейся информации и является результативным методом закрепления знаний.
11
Общий алгоритм решения задач по дисциплине
«Квантовая физика»
Решение любой задачи по дисциплине «Квантовая физика» можно разделить на следующие этапы.
1. Краткое представление условия задачи заключается в записи
известных и искомых величин, где приводятся численные данные в том виде,
в котором они имеются в условии задачи. Здесь же указываются сведения,
заданные неявно (например, в графической или табличной формах).
2. Перевод всех данных в условии величин в единую систему единиц
– обычно в Международную систему единиц (СИ).
3. Аналитическое решение задачи. На этом этапе, прежде всего,
следует установить, какие физические закономерности лежат в основе
данной задачи. Начинать советуем с формулы, которая содержит искомую
величину. Затем из формул, выражающих эти закономерности, надо найти
решение задачи. При этом следует придерживаться известного положения:
число уравнений в составляемой системе уравнений должно быть равно
числу неизвестных. Решая аналитически эту систему уравнений любым
удобным методом, нужно получить расчетную формулу искомой величины.
4. Проверка размерности искомой величины. Прежде чем производить вычисления, необходимо проверить размерность полученного результата. Для этого в расчетную формулу вместо физических величин подставляют
их единицы измерения. Проверка положительна, если после упрощения выражения получена единица измерения искомой величины. Если нет, то надо
искать ошибку в преобразованиях при выводе расчетной формулы.
5.Вычисление. Численный результат получается путем подстановки
численных значений известных величин в расчетную формулу и вычислением полученного арифметического выражения. Расчеты, как правило, упрощаются, если величины представить в виде небольшого числа и множителя,
отражающего десятичный порядок данной величины. Например,
12300 = 1,23104 или 0,00123 = 1,2310–3.
При вычислениях следует использовать микрокалькулятор. Результат
округляется до трех значащих цифр.
Представленная последовательность действий может быть полезной
при решении как расчетных, так и качественных задач.
12
Примеры оформления решения задач
1. Условие: Оценить минимальный размер области локализации электрона,
энергия которого не превышает 10эВ.
Краткая запись
условия
Дано:
Анализ данных
В рамках квантовой механики для любой частицы справедливы соотношения
неопределенностей:
We=16∙10-19Дж
We=10эВ
Решение
me=9.1∙10-31кг
xp  h ,
Найти:Δx-?
здесь h=6,63∙10-34 – постоянная Планка,
Δp – погрешность измерения импульса частицы. Из этого соотношения, полагая, что максимальное значение погрешности не может превышать импульс частицы получим для минимального размера области локализации
электрона выражение:
x  h p .
Отсюда видно, что минимальный размер области локализации частицы совпадает с длиной ее волны де Бройля. В нерелятивистском случае энергия
электрона и его импульс связаны соотношением:
p2
We 
2me
.
Из этого выражения получаем p  2meWe . Тогда окончательное выражение
для минимального размера области локализации электрона будет иметь вид:
x  h
2meWe .
Подставляем числа
x 
6,63  10 34
2  9,1  10 31  16  10 19

6,63
 10 9  0,3886нм .
17,06
Проверяем размерности:
x 
Дж  с

Дж  кг
Дж  с 2
кг  м 2  с 2

 м.
кг
с 2  кг
Ответ: Минимальный размер области локализации электрона, энергия которого не превышает 10 эВ, равен Δx=3,89 Å.
13
2. Условие: Оцените относительную населенность зоны проводимости полупроводника при комнатной температуре, если длина волны излучения п/п лазера 700нм.
Краткая запись
условия
Дано:
t=tк=20оС
λ=700 нм.
Анализ данных
Решение
Согласно рассуждениям Эйнштейна о
природе спонтанного излучения для
T=273+20=293 К
двухуровневой системы относительная
–7
населенность зоны проводимости
λ=7∙10 м
Найти:n2/n1-?
полупроводника определяется из выражения:
n2
hc
 exp(
).
n1
kT
Здесь h=6,63∙1-34 Дж·с – постоянная Планка, c=3∙108 м/с – скорость света в
вакууме, k = 1,38·10–23 Дж/К– постоянная Больцмана, λ – длина волны, излучаемая двухуровневой системой, T – температура. Считая п/п лазер двухуровневой системой, определим из этого выражения относительную населенность зоны проводимости полупроводника.
Подставляем числа
n2
6,63  10 34  3  108
 exp(
)  exp(70,2)  3,02  10 29% .
7
23
n1
7  10  1,38  10 293
Проверяем размерности:
 n2 
Дж  м  к
 n   exp( с  м  Дж  к )  б / м .
 1
Ответ: Относительная населенность зоны проводимости полупроводника
при комнатной температуре и длине волны излучения п/п лазера 700 нм
составляет 3,02∙10-29 %.
14
3. Условие: Определить ширину запрещенной зоны собственного полупроводника, если при увеличении температуры в 1,25 раза, его удельное сопротивление уменьшилось в три раза. Конечная температура образца Т = 350 К.
Краткая запись
Анализ данных
условия
Дано:
Тк = 350 К
1эВ=1,6∙10-19Дж
Тк=1,25 Т0
1  2  3
Решение
Удельное сопротивление полупроводников зависит от температуры как:
  0 exp(E kT )
здесь k=1,38∙10-23 Дж/К – постоянная
Найти:ΔE-?
Больцмана, ΔE – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника,
T – температура. Отсюда определяется удельное сопротивление при начальной температуре:
1  0 exp(E kT0 ) .
После увеличения температуры:
 2  0 exp(E kTк ) .
Тогда, если разделить первое равенство на второе и выразить ΔE, получаем:
k ln( 1  2 )
.
E  T1  T2
T2  T1
Подставим численные данные из условия:
k ln( 1  2 )
1,38  (ln 3)  10 23
2
E  Tк 
( Дж)  350
( эВ)  0,132( эВ) .
1,25  Tк (1  1 1,25)
0,25  1,6  10 19
Проверяем размерности:
E   к  Дж  Дж  Дж  эВ
к
Кл
Ответ: Выполнение условия задачи возможно, если ширина запрещенной
зоны собственного полупроводника равна ΔЕ=0,132эВ.
4. Условие:Определите высоту потенциального барьера на p-n+ переходе на
базе арсенида галия при комнатной температуре, если донорная примесь превышает акцепторную в 1,2, а концентрация донорной примеси 108 см-3. Концентрация собственных носителей в арсениде галия 1,8∙106.
15
Краткая запись
Анализ данных
условия
Дано:
p-n
1эВ=1,6∙10-19 Дж
t= tк= 20о С
T=273+20=293 К
N a N d  1,2
Nd=1014 м-3
Nd=108 см-3
ni=1,8∙1012 м-3
ni=1,8∙106 см-3
Решение
При образовании p-n+ перехода в тонком слое на границе примесей образуется потенциальный барьер, препятствующий возникновению токов через pn+ переход, величина которого определяется выражением:
 к  T ln( N a N d ni2 ) .
Найти:ΔE-?
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∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана. Подставим данные из условия:
T 
1,38  10 23  293
ln(1,2  N d2 ni2 )  0,0253  (2 ln( N d ni )  0,18)  0,2078В  207,8 мВ
19
1,6  10
к  Дж Дж

В
к  Кл
Кл
Ответ: При таких условиях на p-n+ переходе возникнет потенциальный
барьер, высота которого равна 207,8мВ.
Проверяем размерности: T  
5. Условие: Определить сопротивление нагрузки для транзистора в схеме с
общей базой, если коэффициент усиления по току равен 0,95, а входное сопротивление составляет 1 Ом (Ku=30).
Краткая запись
условия
Дано:
ОБ
KI=0,95
Rв=1 Ом
Ku=30
Найти:Rн-?
Анализ данных
Решение
Схема с общей базой:
Сопротивление нагрузки находится в цепи коллекторного тока, поэтому является выходным сопротивлением транзистора. Поэтому коэффициент усиления по напряжению:
16
Ku 
U в ых Rн

KI .
U в х Rв
Здесь KI – коэффициент усиления по току, при такой схеме включения равный отношению тока коллектора к току эмиттера. Отсюда:
Rн 
K u Rв 30  1(Ом)

 31,6Ом
KI
0,95
Ответ: Сопротивление нагрузки 31,6 Ом.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРИ ПОДГОТОВКЕ
К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ
Выполнение лабораторных работ по квантовой физике формирует у
студентов важные компетенции по навыкам проведения стандартных испытаний согласно инструкциям, оформления отчета, анализа полученных результатов и формулировке вывода по проделанной работе, что является фундаментом для научно-исследовательской деятельности.
В процессе подготовки к выполнению лабораторной работы студент
прежде всего овладевает способами постановки цели и выбора путей ее достижения. Для этого надо переписать из методического пособия по лабораторному практикуму в отчет название лабораторной работы и цель работы и
проанализировать цель работы по плану:
1) понять, какое физическое явление лежит в основе экспериментальных и теоретических методов предстоящего исследования;
2) определить, какие физические величины характеризуют рассматриваемое физическое явление;
3) выделить основные физические закономерности, которые связывают физические величины, характеризующие физические явление;
4) понять, какую физическую величину предстоит измерить в работе
или какую закономерность необходимо доказать.
Далее надо переписать в отчет теоретический минимум.
Оформление теоретического минимума
Для оформления теоретических основ проводимых исследований в методических указаниях предусмотрен раздел «Теоретический минимум», в
котором в доступной для восприятия форме представлена необходимая для
выполнения работы информация. В процессе изучения раздела необходимо:
17
1) найти и выписать определение искомой физической величины, значение которой станет численным результатом выполнения работы;
2) найти и записать условия наблюдения физических явлений, лежащих
в основе экспериментальных и теоретических методов предстоящего исследования;
3) привести в отчете формулировку физического закона, который предстоит использовать в работе;
4) сделать рисунки, поясняющие формулировки, правила и закономерности.
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 физической величины, являющейся численным результатом
работы (итоговое или расчетное выражение), особо отметив элементы моделирования (пренебрежение некоторыми физическими факторами) и сделав
необходимые рисунки;
2) привести в отчете принципиальную схему испытаний с пояснениями, как и с какой точностью будут измерены физические величины, входящие в итоговое формульное выражение;
3) записать в отчет таблицу для испытаний и численные значения параметров установки и заданных физических величин, 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 иссле-
18
дованиях и могут быть использованы при решении огромного круга задач,
обретение навыков их грамотного анализа является основой всех компетенций будущего профессионала. Поэтому студент внимательно изучает порядок 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) какое явление наблюдалось при проведении эксперимента;
2) какая физическая величина и каким методом была измерена;
3) приводится доверительный интервал для искомой физической величины или делается вывод о выполнимости в условиях данной работы исследуемого фундаментального закона;
4) полученный экспериментальный результат сопоставляется с теоретической оценкой или с табличным значением;
5) указывается, ошибки измерения каких величин внесли основной
вклад в погрешность измерения искомой физической величины.
Рекомендуем внимательно ознакомиться с образцом оформления лабораторной работы.
Образец оформления лабораторной работы
ЗАВИСИМОСТЬ ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В СХЕМЕ ПРЯМОГО ТОКА
Цель работы: опираясь на современные представления о структуре pn-перехода, оценить с помощью формализованного моделирования на основе
экспериментально полученной ВАХ для германиевого диода Д310 величину
«теплового тока носителей зарядов».
1) В основе исследований лежит гипотеза обеднения области p-nперехода и модель Эмберса-Мола для определения ВАХ p-n-перехода.
2) Итоговым результатом станет ВАХ p-n-перехода для различных
значений температуры и полученные с ее помощью параметры диода.
3) В процессе исследований путем формализованного моделирования
будет оценена величина «теплового тока носителей зарядов».
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ
Полупроводниковый «плоскостной» диод представляет собой тонкую
(менее 0,1 мм) монокристаллическую пластинку германия Ge или кремния Si,
19
содержащую два слоя, один из которых имеет дырочную (р-типа), а второй –
электронную (n – типа) проводимость.
Вольтамперная характеристика р-п-перехода (ВАХ) – зависимость
силы тока I от приложенного напряжения U.
Важнейшими характеристиками диода являются его прямое и обратное
сопротивления.
Статические сопротивления:
U'
1
U
и R'  2 .
R
I'
I 21
Динамические сопротивления:
U
U '
'
RД 
и RД 
.
'
I
I
Динамические сопротивления проявляются при подключении к диоду
источников переменного напряжения и используются для расчета цепей переменного тока.
Зависимость диффузионного дырочного тока на границе (x=0) р-nперехода с n-слоем от напряжения U на слое по модели Эмберса-Мола определяется выражением:
 qeU



kТ

I  I op e
 1





,
где I op  qe D p SPn / L – «тепловой ток» дырок, зависящий от температуры T
вследствие термогенерации дырок в n-слое и от ширины запрещенной зоны
E полупроводника, k – постоянная Больцмана, qe – заряд электрона. ПряЗ
мой ток нормируется по допустимой мощности, выделяющейся при нагревании полупроводника, для диодов средней мощности I max  0,5 А . Так как ши-
рина  p  n  перехода при прямом смещении мала, его сопротивление незначительно.
20
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема экспериментальной установки
Для исследования и построения ВАХ полупроводникового диода схема
экспериментальной установки имеет два варианта. В схеме кроме исследуемого диода имеется входное сопротивление а также вольтметры и амперметры.
Работа будет проводиться на блочной установке МУК ФОЭ-1. В нее
входят: АВ1 – блок цифрового амперметра-вольтметра предназначен для измерения в данной работе постоянной силы тока и напряжения, блок ГН3 –
предназначен для генерации постоянных напряжений с регулируемыми
уровнями, стенд с объектами исследования типа С3-ТТ2. Стенд позволяет регулировать температуру, измерять характеристики диода для различных значений температуры.
Таблица тестирования Д310
U(B)
0,1
0,2
0,3
Прямая схема
T I1(mkA) I2(mkA) I3(mkA)
300
1,45
1,46
1,47
310
2,22
2,25
2,3
320
4,2
4,37
4,4
300
6,2
6,1
6,1
310
13,8
13,7
13,5
320
6,2
6,1
6,1
300
1,38
1,37
1,35
310
75,7
77
76,9
320
21,5
22,2
22,3
Вывод:
1) ВАХ полупроводникового диода определяет особенности структуры
слоя p-n-перехода.
2) Хорошее согласование результатов тестирования Д310 и теоретических оценок по модели Эмберса-Молла наблюдается при значении
I0=(12,3±1,4) мкА.
3) При увеличении температуры на 10 градусов максимально допустимое напряжение для диодов средней мощности при прямом включении
уменьшается сначала приблизительно на 3%, затем на 6%.
21
Лабораторные работы выполняются в группах по 2-3 человека в соответствии с распределенным в начале семестра вариантом индивидуальной
траектории, в котором указываются номера и последовательность выполнения лабораторных работ.
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
1
2.
3
4.
Тема
Экспериментальные данные о структуре атомов.
Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.
Ядерная модель атома. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Формула Бальмера.
Полупроводниковые лазеры и их характеристики.
Новейшие технологии получения p-n переходов с
лазерным легированием.
Диоды Ганна. Лавино-пролетные диоды. СВЧ генерация в современной электронике.
5.
Зонный микроскоп. Исследование поверхностей.
6.
Приборы с резонансным туннелированием.
7.
Интерференционные приборы, приборы с одномерной и ноль-мерной проводимостью.
Номер литературного
источника
1 осн. л., 4 доп. л.
3-4 доп. л.
3-4 доп. л., интернетисточники
3-4 доп. л., интернетисточники
3-4 доп. л., интернетисточники
3-4 доп. л., интернетисточники
3-4 доп. л., интернетисточники
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).
22
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.
В основной части подробно раскрывается содержание вопроса (вопросов) темы.
В заключении 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.
В список литературы студент включает только те документы, которые
он использовал при написании реферата.
В приложении (приложениях) к реферату могут выноситься таблицы,
графики, схемы и другие вспомогательные материалы, на которые имеются
ссылки в тексте реферата.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ
К ЗАЧЕТУ
В период подготовки к зачету студенты вновь обращаются к пройденному учебному материалу. При этом они не только закрепляют полученные
знания, но и получают новые.
Литература для подготовки к зачету 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 зачету 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 зачету студентам необходимо обращать внимание не только на уровень запоминания, но и на степень понимания излагаемых проблем.
23
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. Давыдов, А.С. Квантовая механика: учеб. пособие. — 3 изд., стереотипное / А.С. Давыдов ; — СПб. : БХВ-Петербург, 2011. — 704 с.- ЭБС
«Знаниум».
Дополнительная литература
1. Ануфриев, Д.Л. Конструкционные методы повышения надежности
интегральных схем [Текст] : утв. ред.-издат. сов. БГУИР в качестве учеб. пособия / Д.М. Ануфриев, М.И Горлов, А.П. Достатко;− Минск.: Интегралполиграф, 2007 – 264 с.
2. Панюшкин, Н.Н. Физические основы промышленной электроники.
Лабораторный практикум / Н.Н. Панюшкин, А.Н. Панюшкин ; Воронеж :
ВГЛТА, 2007. – 48 с. .-Электронная версия ЭБС «ВГЛТУ».
3. 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. – 80 с. ЭБС «ВГЛТУ».
4. Умрихин, В.В. Физические основы электроники: Учебное пособие /
В.В. Умрихин; Уником Сервис. - М.: Альфа-М: НИЦ Инфра-М, 2012. - 304 с.ЭБС «Знаниум».
Для освоения дисциплины необходимы следующие ресурсы
информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
Квантовая механика (основная литература) http://znanium.com/
Свободная энциклопедия https://ru.wikipedia.org/
Словари, определения http://dic.academic.ru/
Интересные факты http://www.twirpx.com/file/210424/
Электронный
ресурс
библиотеки
ФГБОУ
ВО
«ВГЛТУ»:
http://www.vglta.vrn.ru/BiblSite/index.htm
24
Учебное издание
Евсикова Наталья Юрьевна
Камалова Нина Сергеевна
Лисицын Виктор Иванович
Матвеев Николай Николаевич
Постников Валерий Валентинович
Саушкин Виктор Васильевич
Квантовая физика:
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению
подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств
Электронный ресурс
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
958 Кб
Теги
квантовая, физики
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа