Фізичні основи роботи комп’ютера

Переваги та недоліки різних форм позакласної роботи з фізики, проведення факультативних занять. Сучасні технології, які можна використовувати на позаурочних заняттях з фізики. Фізичні явища та процеси, які відбуваються при роботі пристроїв комп’ютера

Рубрика Педагогика
Вид магистерская работа
Язык украинский
Дата добавления 04.08.2009
Размер файла 9,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Існує декілька способів закріплення. Найбільш поширений - це термомеханічний спосіб, при якому копія піддається нагріву і механічному притиску.

Механізм закріплення носить назву ф'юзер (піч). Механізм складається з тефлонового валу, що нагрівається, з кварцовою лампою всередині, і гумового притискного валу. Іноді замість тефлонового валу встановлюється спеціальний керамічний термоелемент, який відділяється від паперу термоплівкою. Такі копіри мають менший термін прогрівання і менше енергоспоживання, проте термоплівка здатна зробити значно меншу кількість копій і пошкодити її значно легше при неправильному витяганні паперу.

У частині апаратів для валу, що нагрівається, передбачене силіконове мастило. Це дозволяє уникнути прилипання тонера до валика. Крім того, може використовуватися спеціальний рушник, для видалення залишків тонера або іншого бруду, що прилип до валу. Для відділення паперу від валу застосовуються пальці відділення.

2.5.28 Очищення

Очищення - це процес видалення залишків тонера з фоторецептора після перенесення на папір.

Безпосередньо перед очищенням може використовуватися передочищення за допомогою засвічення фоторецептора або коротрона передочищення, який генерує позитивні і негативні іони.

Частинки тонера, що залишилися, видаляються за допомогою ножа ракеля, що знаходиться в безпосередньому контакті з фоторецептором. Ракель виготовляється і точно позиціонується щодо фоторецептора, для того, щоб не пошкодити його. Відпрацьований тонер потрапляє в бункер відпрацювання.

Повторне його використання не рекомендується, оскільки тонер злипається і забруднюється.

Можливе також видалення тонера м'якою щіткою, усередині якої встановлюється система вакуумного відкачування.

Останній етап очищення - це видалення залишкового заряду, яке здійснюється за допомогою або джерела світла, або коротрона, знак напруги якого протилежний знаку заряду фоторецептора.

Принцип дії лазерного принтера дещо відрізняється від принципів роботи копіювального апарату (рис. 2.32). Джерелом світла тут є лазер, який зменшує потенціал в певних ділянках фоторецептора (рис. 2.33). При цьому фонові ділянки фоторецептора залишаються зарядженими. Тонер заряджається протилежним зарядом.

Рисунок 2.32 - Загальна схема процесу копіювання

При цьому фонові ділянки фоторецептора залишаються зарядженими. Тонер заряджається протилежним зарядом. При контакті тонер притягується підкладкою в ділянки з низьким потенціалом, пробиті лазером.

Лазерне засвічення здійснюється наступним чином: лазерна гармата світить на дзеркало, яке обертається з високою швидкістю. Відбитий промінь через систему дзеркал і призму потрапляє на барабан і за рахунок повороту дзеркала вибиває заряди по всій довжині барабана. Потім відбувається поворот барабана на один крок (цей крок вимірюється в долях дюйма і саме він визначає роздільну здатність принтера за вертикаллю) і викреслюється нова лінія. У деяких принтерах окрім повороту барабана використовується поворот дзеркала по вертикалі, яке дозволяє на одному кроці повороту барабана викреслити два ряди точок. Зокрема перші принтери з роздільною здатністю 1200 dpi використовували саме цей принцип.

Швидкість обертання дзеркала дуже висока. Вона складає близько 7-15 тис. об./хв. Для того, щоб збільшити швидкість друку, не збільшуючи швидкість дзеркала, його виконують у вигляді багатогранної призми.

Рисунок 2.33 Схема промальовування лазерним променем

На рис. 2.33 промені чорного і червоного кольору відповідають різним положенням дзеркала. У момент А дзеркало повернене під одним кутом (червоне положення дзеркала). У наступний момент часу, що відповідає частоті лазера, дзеркало повертається і займає чорне положення. Відбитий промінь попадає вже в іншу точку фоторецептора. В реальності існують ще додаткові дзеркала, призми і світловоди, що відповідають за фокусування і зміну напряму променя.

Рисунок 2.34 - Лазерна технологія друку

Лазерні принтери (рис. 2.34) окрім механічної частини включають достатньо серйозну електроніку. Зокрема на принтерах встановлюється пам'ять великого об'єму, для того, щоб не завантажувати комп'ютер і зберігати завдання в пам'яті. На деякі принтери встановлюються вінчестери. Електронна начинка принтера також містить різні мови опису даних (Adobe PostScript, PCL і тощо.). Ці мови знову ж таки призначені для того, щоб забрати частину роботи у комп'ютера і передати її принтеру.

Розглянемо фізичний принцип дії окремих компонентів лазерного принтера.

2.5.29 Фотобарабан

Як вже писалося вище, найважливішим конструктивним елементом лазерного принтера є фотобарабан, що обертається, за допомогою якого проводиться перенесення зображення на папір. Фотобарабан є металевим циліндром, покритим тонкою плівкою з фотопровідного напівпровідника (звичайно оксид цинку). По поверхні барабана рівномірно розподіляється статичний заряд за допомогою тонкого дроту або сітки, званої коронуючим дротом. Про теорію напівпровідників можна прочитати в додатку А.

2.5.30 Лазер

Лазер - квантовий генератор, джерело потужного оптичного випромінювання. Випромінювання надмірної енергії збуджених атомів виникає за рахунок зовнішньої дії.

Лазер відрізняється від звичайних джерел світла (наприклад, лампи з вольфрамовою ниткою) двома важливими властивостями випромінювання. По-перше, воно когерентно, тобто піки і провали всіх його хвиль з'являються погоджено, і ця узгодженість залишається незмінною протягом достатньо тривалого часу. Всі звичайні джерела світла емітують некогерентне випромінювання, в якому немає узгодженості між піками і провалами різних хвиль. У некогерентному процесі світлові хвилі випромінюються незалежно один від одного, енергія випромінюваного пучка розсіюється у просторі і швидко убуває у міру віддалення від джерела. При когерентному випромінюванні хвилі випускаються не хаотично і можуть підсилювати одна одну. Промені лазерного пучка майже паралельні між собою, тому він майже не розходиться навіть на великих відстанях від випромінювача. Так, лазерний пучок діаметром 30 см направили на Місяць, і він утворив на його поверхні світлову пляму діаметром всього 3 км (до Місяця близько 386 000 км; на такій відстані світло від звичайного джерела дало б пляму діаметром 402 000 км). Друга особливість лазерного випромінювання - монохромність; це означає, що від конкретного лазера виходять хвилі однієї і тієї ж довжини. В світлі майже всіх існуючих джерел звичайно присутні всі довжини хвиль видимого спектру і відповідно всі кольори, тому таке світло нам здається білим. Лише небагато традиційних джерел (наприклад, лампи низького тиску, наповнені розрідженими парами натрію) світять майже монохромно, але їх випромінювання некогерентне і малоінтенсивне.

Щоб створити лазер - джерело когерентного світла - необхідно:

- робоча речовина з інверсною населеністю. Тільки тоді можна одержати посилення світла за рахунок вимушених переходів;

- робочу речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок;

- посилення, що дається робочою речовиною, а значить, число збуджених атомів або молекул в робочій речовині, повинне бути більше порогового значення, яке залежить від коефіцієнта віддзеркалення напівпрозорого дзеркала.

Світло - особлива форма рухомої матерії. Воно виткане з окремих згустків, що іменуються квантами. Атоми будь-якої речовини, випромінюючи (або поглинаючи) світло, випускають (або захоплюють) тільки цілісні кванти; у таких процесах (якщо немає якихось особливих умов) атоми не взаємодіють з частками квантів. Довжина хвилі (отже, колір) випромінювання визначається енергією його кванта. Атоми, однакові за своєю природою, випромінюють або поглинають кванти лише конкретної довжини хвилі. Це наочно виявляється в свіченні газорозрядних ламп з однорідним наповненням (наприклад, неоном), які використовуються в декоративній ілюмінації і рекламі. Коли атом випромінює квант світла, він витрачає енергію; поглинаючи квант світла, атом набуває додаткової енергії. Оскільки енергія переноситься до атома і від нього порційно, то і сам атом може перебувати лише в одному з дискретних енергетичних станів - або в основному (з мінімальною енергією), або в якомусь із збуджених. Атом, що знаходиться в основному стані, при поглинанні кванта світла переходить в збуджений стан; при випромінюванні кванта світла все відбувається навпаки. Чим більше квантів поблизу атомів, тим більше і тих атомів, які здійснюють подібні переходи - з підвищенням або пониженням енергії. (Світло своєю присутністю вимушує атоми брати участь в енергетичних переходах, тому такі процеси називають вимушеними - вимушене поглинання і вимушене випромінювання.) При вимушеному поглинанні число квантів зменшується і інтенсивність світла убуває, а енергія атомів зростає. Якщо деяка кількість атомів, потрапивши в освітлення, вимушено випромінює сумарно більше, ніж вимушено поглинає, то виникає лазерний ефект - посилення світла вимушеним випромінюванням (даної множини атомів). Лазерна генерація може виникнути тільки в тій множині мікрочастинок, де збуджених атомів більше, ніж незбуджених. Отже, таку множину атомів треба наперед підготувати, тобто заздалегідь накачати до неї додаткову енергію, черпаючи її від якого-небудь зовнішнього джерела; ця операція так і називається - накачування. Типи лазерів розрізняються в основному за видами накачування. Накачуванням можуть служити:

- електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, що відрізняється від лазерної;

- електричний струм;

- пучок релятивістських (надзвичайно швидких) електронів;

- електричний розряд;

- хімічна реакція в придатному для генерації середовищі.

Рисунки 2.35 і 2.36 пояснюють дію рубінового лазера. Посріблені торці циліндрового стрижня з штучного рубіна служать дзеркалами. Одне з них покрите менш щільним шаром срібла, тому воно напівпрозоре і крізь нього випромінюється лазерне світло. Рубін - кристал, що складається з окислу алюмінію з домішками окислу хрому. Атоми алюмінію і кисню не відіграють визначальної ролі в лазерній генерації; головні енергетичні переходи реалізуються в хромі. При збудженні атоми хрому переходять з основного стану на один з двох рівнів збудження, позначених F1 і F2 (рис. 2.36).

Рисунок 2.35 - Рубіновий лазер: 1 - посріблений торець стрижня (глухе дзеркало); 2 - рубіновий стрижень; 3 - рідина, що охолоджує; 4 - газорозрядна лампа накачування; 5 - кожух (трубка) охолодження; 6 - слабо посріблений торець стрижня (напівпрозоре дзеркало)

Рубіновий лазер - вдосконалена схема конструкції Т.Меймана (1960). Основні його елементи - циліндричний рубіновий стрижень з плоскими посрібленими торцями, кожух охолоджування (його не було в пристрої Меймана) і газорозрядна лампа накачування.

Рисунок 2.36 - Дія лазера

Дія лазера починається із збудження атомів хрому і їх переходів на енергетичні рівні F1 і F2. Потім кожен збуджений атом спонтанно (мимоволі, тобто невимушено) випромінює квант (нелазерного випромінювання) і, втративши частину своєї енергії, переходить на метастабільний рівень E. Далі, під впливом кванта, що вимушує, з лазерною довжиною хвилі (такі кванти є у випромінюванні лампи накачування) атом випромінює ще один такий же квант, узгоджений за фазою з тим, що вимушує, і переходить на свій основний енергетичний рівень.

Рівні досить широкі, і атоми хрому збуджуються багатьма довжинами хвиль світла накачування. Проте унаслідок нестабільності вони миттєво покидають рівні F і переходять на нижчий рівень E; при цих переходах випромінювання не відбувається, а енергія, що вивільняється, передається кристалічній решітці окислу алюмінію, де і розсіюється у формі теплових втрат. Проте з рівня E атом хрому випромінює вимушено і переходить внаслідок цього на основний рівень. Кванти, емітовані атомами хрому, багато разів відбиваються між посрібленими дзеркалами рубінового стрижня і на своєму шляху вимушують багато збуджених атомів випускати такі ж кванти; процес наростає лавиноподібно і закінчується імпульсом лазерного світла. Напівпрозоре дзеркало повинне добре віддзеркалювати лазерне випромінювання, щоб забезпечити необхідну інтенсивність його частки, що вимушує, але одночасно і більше пропускати його на вихід; звичайно його коефіцієнт віддзеркалення - десь 80 %. При вимушеному випромінюванні атом хрому перебуває на збудженому рівні E не більше с а при вимушеному - в 10 тисяч разів довше ( с). Тому у лазерного світла досить часу, щоб викликати вимушене випромінювання величезного числа збуджених атомів активного середовища.

Лазерне випромінювання реалізоване в багатьох активних середовищах - твердих тілах, рідинах і газах.

Типи лазерів:

- твердотільні лазери з оптичним накачуванням;

- газові лазери;

- хімічні лазери;

- напівпровідникові лазери;

- лазери на фарбниках.

У лазерному принтері використовується напівпровідниковий лазер.

2.5.31 Напівпровідникові лазери

Якщо крізь напівпровідникову структуру транзисторного типу пропускати електричний струм, то можна домогтися лазерного ефекту. Габарити і вихідна потужність напівпровідникових лазерів малі, але їх ККД високий. Такі лазери роблять в основному на арсеніді або алюмоарсеніді галію; застосовують їх головним чином в системах зв'язку.

Під впливом світла (у лазерних принтерах джерелом високочастотного когерентного випромінювання є лазер) освітлені ділянки шару напівпровідника на фотобарабані зменшують електропровідність і різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями шару також зменшується. На неосвітлених ділянках шару зменшення зарядів не відбувається. Відомо, що кількість стікаючого заряду пропорційна падаючому світлу. Таким чином, при експонуванні на шарі напівпровідника утворюється приховане електростатичне зображення.

3 РЕКОМЕНДАЦІЇ В ЯКИХ КЛАСАХ ТА ПРИ ВИВЧЕНІ ЯКИХ РОЗДІЛІВ ФІЗИКИ МОЖНА ВИКОРИСТОВУВАТИ ПІДІБРАНИЙ МАТЕРІАЛ

Таблиця 3.1 - Теми нової навчальної програми з фізики до яких відносяться розділи та підрозділи позаурочних занять

Клас

Тема

№ Розділу і підрозділу

10

«Рідкі кристали та їх властивості», «Люмінесценція»

2.1 Дисплеї

2.1.1 Дисплей електронно- променевий

2.1.2 Дисплей плоский

11

«Власна і домішкова провідність напівпровідників», «Застосування напівпровідникових приладів»

2.2 Процесори

2.2.1 Техпроцес

2.2.2 Розмір КЕШа

2.2.3 Тактова частота

2.2.4 Два ядра і Hyper-Treading

2.2.5 NX/XD-BIT. Набори інструкцій

2.2.6 Вибір процесора

2.3 Флеш-пам'ять

2.3.1 Що таке flash-пам'ять?

2.3.2 ROM

2.3.3 NVRWM: EPROM

2.3.4 Організація flash-пам'яті

2.3.5 Загальний принцип роботи елемента флеш-пам'яті

2.3.6 Багаторівневі елементи (MLC - Multi Level Cell)

11

«Магнітний запис інформації»

2.4 Магнітний запис інформації

2.4.1 4,4 Мегабайта вагою в тонну

2.4.2 Механіка HDD

2.4.3 Електроніка HDD

2.4.4 Різноманітність видів HDD

2.4.5 Гучні імена виробників HDD

2.4.6 Перпендикулярні перспективи

2.4.7 SSD проти HDD

2.4.8 Перпендикулярний Hitachi

11

«Квантові генератори та їх застосування»

2.5 Прилади, в яких використовується лазер

2.5.1 Мирний лазер

11

«Квантові генератори та їх застосування»

2.5.2 Як все починалося

2.5.3 Історія невидимки

2.5.4 Компакт-диск

2.5.5 Усередині оптичного привода

2.5.6 Вибираємо привод

2.5.7 Майбутнє сьогодні

2.5.8 Оптичний принцип запису та зчитування інформації

2.5.9 CD і DVD-ROM2.5.10 Технологія Blu-Ray - наступник DVD

2.5.10 Технологія Blu-Ray - наступник DVD

2.5.11 Вік голографії

2.5.12 Фізичний принцип роботи лазерного принтера

2.5.13 Стисла історія розвитку лазерного принтера

2.5.14 Формування зображення

2.5.15 Принцип дії

2.5.16 Кольоровий друк

2.5.17 Основні характеристики лазерних принтерів

2.5.18 Фізичні процеси

2.5.19 Технологія виготовлення фоторецепторів

2.5.20 Зарядка

2.5.21 Види коротронів

2.5.22 Формування зображення

2.5.23 Експонування

2.5.24 Прояв

2.5.25 Перенесення

2.5.26 Відділення

2.5.27 Закріплення

2.5.28 Очищення

2.5.29 Фотобарабан

2.5.30 Лазер

2.5.31 Напівпровідникові лазери

Даний курс факультативу можна розбити на 10 занять, як показано у табл. 3.2. Кожне заняття за часом займає дві години з 15-ти хвилинною перервою та проводиться один раз за два тижня. Враховуючи те, що тема основного курсу з фізики, яка відповідає першому розділу факультативного курсу, починається приблизно у жовтні, то з урахуванням святкових днів, даний курс закінчується на початку березня.

Таблиця 3.2 - План позаурочних занять

№ Заняття

№ Розділів та підрозділів факультативного курсу

1

2.1, 2.1.1, 2.1.2

2

2.2, 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5, 2.2.6

3

2.3, 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3

4

2.3.4, 2.3.5, 2.3.6

5

2.4, 2.4.1, 2.4.2

6

2.4.3, 2.4.4, 2.4.5, 2.4.6, 2.4.7, 2.4.8

7

2.5, 2.5.1, 2.5.2, 2.5.3, 2.5.4

8

2.5.5, 2.5.6, 2.5.7, 2.5.8, 2.5.9, 2.5.10, 2.5.10, 2.5.11

9

2.5.12, 2.5.13, 2.5.14, 2.5.15, 2.5.16, 2.5.17

10

2.5.18, 2.5.19, 2.5.20, 2.5.21, 2.5.22, 2.5.23, 2.5.24, 2.5.25, 2.5.26, 2.5.27, 2.5.28, 2.5.29, 2.5.30, 2.5.31

ВИСНОВКИ

Результати роботи полягають у наступному:

1. Вдалось з'ясувати переваги та недоліки різних форм позакласної роботи. Найпродуктивнішим та досконалим виявилось проведення факультативних занять з фізики у школі.

2. Був знайдений матеріал про сучасні технології, які можна використовувати на позаурочних заняттях з фізики.

3. Розроблено елементи методичного посібника для проведення позаурочних курсів з фізики, який містить цікаві матеріали про сучасні технології, які використовуються в комп'ютерній техніці.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Вахольский Б.М. Факультативные занятия «Основы электроники» в старших классах средней школы / Б.М. Вахольский, Г.И. Рах. - Ростов-на-Дону: Редакционно-издательский совет Ростовского-на-Дону (головного) государственного педагогического института, 1973. - 143 с.

2. Внеурочная работа по физике / О.Ф. Кабардин, Э.М. Браверман, Г.Р. Глущенко и др.; Под ред. О.Ф. Кабардина. - М.: Просвещение, 1983. - 223 с.

3. Колесниченко О. Лазерные принтеры. Взгляд на принтер изнутри. Технология лазерной печати / О. Колесниченко, М. Шарыгин, И. Шишигин // Техника молодежи. - 2004. - № 6. - С. 42 - 74.

4. Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике / И.Я. Ланина. - М.: Просвещение, 1977. - 224 с.

5. Ланина И.Я. Не уроком единым. Развитие интереса к физике / И.Я. Ланина. - М.: Просвещение, 1991. - 223 с.

6. Талан А.В. Все блины комом. Разбираем жесткий диск по полочкам / А.В. Талан // Лучшие компьютерные игры. - 2006. - №56. - С. 202-204.

7. Талан А.В. Мирный лазер / А.В. Талан // Лучшие компьютерные игры. - 2006. - №57. - С. 208-210.

8. http://www.ixbt.com/storage.shtml - 15.11.2008.

9. http://www.krugosvet.ru; Онлайн Енциклопедія. -19.11.2008.

10. http://microlux.bsolution.net - 21.03.2009.

11. http://www.pctechguide.com - 25.03.2009.

Додаток А

Напівпровідники

А.1 Теорія напівпровідників

Дія електронних ламп заснована на керуванні струмом електронів, що йдуть від електрода (катода), що нагрівається, до електрода, що збирає (анода). Катод нагрівається окремим нагрівальним елементом. Для роботи такого пристрою потрібна значна кількість електроенергії.

У напівпровідниках не потрібно підводити енергію до нагрівача, щоб одержати вільні електрони, а збираючі електроди можуть працювати при вельми низьких напругах.

Опір напівпровідників можна контрольовано змінювати. Це здійснюється шляхом легування напівпровідника іншими хімічними елементами. Більш того, вибираючи той або інший матеріал для легування, можна задавати потрібний вид носіїв електричного заряду (позитивні або негативні). Пояснимо цю думку.

Всі хімічні елементи, що зустрічаються в природі, можна розташувати в послідовний ряд по числу позитивних зарядів, починаючи з водню, що має один позитивний заряд в ядрі атома (заряд одного протона), і закінчуючи ураном з 92 протонами. Позитивний заряд ядра компенсується оболонками оточуючих його електронів. Електрони внутрішніх оболонок досить міцно зв'язані з ядром. Електрони ж зовнішньої оболонки зв'язані слабкіше; як валентні електрони вони можуть брати участь в хімічних процесах, а як електрони провідності - переносити електричний заряд (електричний струм в металах є потік електронів). У таких металах, як мідь, електрони зовнішніх оболонок практично вільні і під впливом дуже слабкого електричного поля здатні переносити колосальні струми. Зовнішні електрони в діелектриках зв'язані міцно, тому діелектрики практично не проводять електрики. Напівпровідники - це проміжний випадок. Згідно фундаментальному постулату фізики, званому рівнянням Больцмана, число N частинок з енергією Е дається формулою

, (А.1)

де A - константа, що характеризує матеріал, k - стала Больцмана ( еВ/К), а T - абсолютна температура в кельвінах (К). Звідси видно, що чим міцніше зв'язок і нижче температура, тим менше звільняється електронів. Якщо в кремній, який є чотирьохвалентним, домішати фосфор, сурму або миш'як, кожен атом яких має п'ять валентних електронів, то один електрон легувальної домішки буде зайвим. Цей надлишковий електрон зв'язаний слабко і легко може діяти як електрон провідності. Якщо ж в кремній ввести бор, галій або алюміній, кожен атом яких має три валентні електрони, то для утворення всіх зв'язків бракуватиме одного електрона. В цьому випадку перенесення струму визначається електронними вакансіями, або «дірками». Насправді електрони під впливом електричного поля перескакують від одного вакантного зв'язку до іншого, що можна розглядати як переміщення дірок в протилежному напрямі. Електричний струм при цьому напрямлений так само, як і у разі електронів. Відповідно до закону n = p = N/2 можна довільно змінювати число електронів n або дірок p в одиниці об'єму напівпровідника, задаючи потрібне число надмірних донорів або акцепторів електронів. Напівпровідники, в яких електронів більше, ніж дірок, називаються напівпровідниками n-типу (рис. А.2), а напівпровідники, в яких більше дірок, -напівпровідниками p-типу (рис. А.3). Ті носії, яких більше, називаються основними носіями, а яких менше - неосновними. Межа, що відокремлює в кристалі ділянку p-типу від ділянки n-типу, називається p-n-переходом.

Типовий представник напівпровідників наведено на рисунку А.1

Рисунок А.1 - Електронні оболонки атома кремнію, типового напівпровідникового матеріалу

В утворенні хімічних зв'язків і в процесі провідності можуть брати участь тільки чотири електрони зовнішньої оболонки (темні кружки), звані валентними електронами. Десять внутрішніх електронів (світлі кружки) в таких процесах не беруть участі.

Рисунок А.2 - Напівпровідник n - типу

Рисунок А.3 - Напівпровідник р -типу

А.2 p-n перехід

У з'єднаних разом шматочках напівпровідників n і p-типу найближчі до межі електрони переходитимуть з n-ділянки до p-ділянки, а найближчі дірки - назустріч їм, з p-ділянки в n-ділянки. Сам перехід буде утворений з позитивно заряджених донорів, що втратили свої електрони, на n-стороні, і з негативно заряджених акцепторів, що втратили свої дірки, на p-стороні.

Рисунок А.4 - p-n-перехід

При цьому перехід уподібнюється зарядженому конденсатору, на обкладинках якого є деяка напруга. Перетікання електронів і дірок через перехід припиняється, як тільки заряджені іони створять на ньому напругу, рівну і протилежну контактному потенціалу (напрузі), обумовленому відмінністю знаку надмірного заряду в напівпровіднику. Якщо на перехід подати відповідну зовнішню напругу, то іонізуються (втрачають свої електрони і дірки) додаткові донори і акцептори, причому в такій кількості, що перехід тільки-тільки підтримує прикладену напругу.

Цінність переходу в тому, що він дозволяє керувати потоком електронів або дірок, тобто струмом. Візьмемо типовий випадок, коли p-сторона сильно легована, а n-сторона легована значно слабкіше. Якщо на перехід подати таку напругу, при якій p-сторона позитивна, а n-сторона негативна, то зовнішня напруга компенсуватиме внутрішню, тобто знизить внутрішній бар'єр переходу і тим самим зробить можливим перетікання великих кількостей основних носіїв (дірок) через бар'єр. Так, подаючи невелику напругу в «прямому» напрямі, можна керувати великими струмами. Якщо змінити знак зовнішньої напруги на зворотний (так, щоб p-сторона була негативна, а n-сторона - позитивна), то вона ще більше підвищить внутрішній бар'єр і повністю перекриє потік основних носіїв. (Правда, невеликій кількості неосновних носіїв легше перетікати через бар'єр.) Якщо поступово підвищувати «зворотну» напругу, то врешті-решт відбудеться електричний пробій, і перехід може виявитися пошкодженим через перегрів. Фактична пробивна напруга залежить від вигляду і ступеня легування слабо легованої сторони переходу. У пристроях різної конструкції пробивна напруга може змінюватися від 1 до 15 000 В.

Таким чином, одиночний p-n-перехід може слугувати випрямлячем, який проникний для струму в одному напрямі і не проникний в протилежному. У прямому напрямі можливі дуже великі струми при напрузі менше 1 В; у зворотному ж напрямі при напругах нижче за пробивну можливі лише струми порядку пікоампера (А). Потужні випрямлячі можуть працювати при струмах близько 5000 А, тоді як в пристроях для керування сигнальними струмами струми звичайно не перевищують декількох міліампер.

Приклад використання p-n-переходу - транзистор.

Рисунок А.5 - Транзистор з p-n-переходом типу n-p-n

На рис. А.5 показані емітер, колектор і база. Товщина p-шару сильно збільшена. Транзистори такого типу застосовуються як підсилювачі.

А.3 Напівпровідникові пристрої

Спершу розглянемо принцип дії напівпровідникових приладів. Оскільки для комп'ютера найбільш важливими є транзистори, саме ними ми розгляд напівпровідникових пристроїв і обмежимо.

Напівпровідниками називають групу елементів і їх з'єднань, у яких питомий опір займає проміжне місце між провідниками і діелектриками. Вихідним матеріалом для виготовлення напівпровідникових приладів є елементи четвертої групи періодичної системи Менделєєва (кремній, германій тощо), а також їх з'єднання. Всі вони є кристалічними речовинами за нормальних умов.

При підвищенні температури або при опромінюванні напівпровідника променистою енергією, частина валентних електронів, одержавши необхідну енергію, залишають ковалентні зв'язки, при цьому вони стають носіями електричних зарядів. Одночасно, при розриві ковалентних зв'язків, утворюються і «дірки» - незаповнені ковалентні зв'язки. У хімічно чистих напівпровідниках, як легко здогадатися, кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. Таким чином, напівпровідник не втрачає електричної нейтральності, оскільки кількість дірок і кількість вільних електронів у ньому однакові. У електричному і магнітних полях дірка поводиться як частинка з позитивним зарядом, рівним заряду електрона.

Дірка (незаповнений ковалентний зв'язок) може бути заповнена електроном, що покинув сусідній ковалентний зв'язок. Один ковалентний зв'язок розривається, інший - відновлюється. Таким чином з'являється враження, що дірка переміщається по кристалу. Розрив ковалентних зв'язків, в результаті якого утворюються вільний електрон і дірка, називається генерацією, а відновлення ковалентного зв'язку - рекомбінацією.

За відсутності електричного поля вільні електрони і дірки здійснюють хаотичні теплові переміщення по кристалу, що, відповідно, не супроводжується появою струму. При наявності ж зовнішнього електричного поля переміщення вільних електронів і дірок упорядковується, і в результаті через напівпровідник починає текти струм. Провідність, обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною (n-тип від “negative” - негативний), а дірок - відповідно дірковою (p-тип від “positive” - позитивний).

Основним для чистих напівпровідників є n-тип, оскільки електрони мають велику рухливість. Якщо ж внести в напівпровідник атоми з нижчою валентністю (т.з. акцептори), чим сам напівпровідник, то він набуде p-тип, оскільки низьковалентні атоми охоче поглинатимуть вільні електрони.

Ділянка, де напівпровідник з електронним типом провідності стикується з напівпровідником з дірковим типом провідності називається p-n переходом.

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в монокристалі з різними типами провідності.

У n-ділянки концентрація електронів більше, ніж в p-ділянки і навпаки - для дірок.

Під дією градієнта концентрації виникає дифузія основних носіїв заряду. Електрони дифундують в p-ділянку, а дірки - в n-ділянку. Виникають ділянки з надмірними концентраціями нерухомих зарядів неосновного носія для даного типу напівпровідника. Таким чином виникає внутрішнє дифузійне поле Езап p-n переходу, і встановлюється контактна різниця потенціалів між двома типами напівпровідника, яка залежить від матеріалу, домішки і ступеня її концентрації.

Під дією внутрішнього дифузійного поля основні носії відтісняються від межі напівпровідників, таким чином, на межі утворюється тонкий шар, практично позбавлений основних носіїв заряду, а тому має високий опір.

Цей шар називається запірним шаром.

Неосновні носії вільно проходять крізь внутрішнє поле p-n переходу, оскільки воно для них є полем, що розганяє, і створюють струм провідності (дрейфу). Основні носії, долаючи дифузійне поле, створюють дифузійний струм. За відсутності зовнішнього поля дифузійний струм і струм дрейфу рівні. Такий стан називається рівноважним.

Якщо до p-n переходу прикласти зовнішню пряму напругу (позитивний полюс приєднаний до p-ділянки, негативний - до n, то зовнішнє електричне поле цього джерела буде протилежним внутрішньому дифузійному полю. Напруженість поля переходу падає, ширина запірного шару зменшується, а разом з нею - і висота потенціального бар'єру. Через зменшення висоти потенціального бар'єру зростає дифузійний струм, а струми дрейфу зменшуються. В результаті утворюється результуючий т.з. прямий струм , що тече в напрямі від p до n-ділянки.

Якщо ж прикласти напругу зворотної спрямованості (т.з. зворотне включення), то напруженість внутрішнього поля p-n переходу зростає, дифузійні струми зменшуються практично до нуля (росте потенціальний бар'єр). Струм же дрейфу практично не змінює свого значення. Виникає зворотний струм - , який пропорційний кількості неосновних носіїв в напівпровіднику і набагато менше (приблизно на 6 порядків) прямого струму. Таким чином, можна вважати, що напівпровідник з p-n переходом має односторонню провідність.

При роботі в p-n переході може спостерігатися його пробій при зворотній напрузі, оскільки при зростанні зворотної напруги зростає напруженість внутрішнього поля переходу, яке веде до зростання рухливості носіїв, що формують зворотний струм. При їх достатній швидкості через розрив ковалентних зв'язків утворюються додаткові електрони і дірки, які, в свою чергу при зіткненнях можуть створювати нові і нові носії. Цей процес називається лавинним розмноженням і веде до швидкого наростання зворотного струму. Даний процес є зворотним, поки він не перейшов в тепловий. Наявність об'ємних зарядів і електричного поля в збідненому шарі надає p-n переходу властивості електричної ємності (т.з. бар'єрна ємність p-n переходу). Вона залежить від площі переходу і напруги, що подається до нього.

, (А.2)

де - питома електрична проникність, S - площа p-n переходу, d - ширина запірного шару.

Фізичні характеристики, такі як струм пробою, допустимі температури роботи, допустима потужність розсіяння, потужність приладу і т.п. залежать від матеріалу і способу виготовлення приладу.

А.4 Біполярні транзистори

Біполярний транзистор - монокристал напівпровідника, в якому створені три ділянки з типами провідності, що чергуються (p-n-p або n-p-n). Середню ділянку називають базою, а крайні - колектором і емітером. Перехід між емітером і базою - емітерний перехід, між базою і колектором - колекторний.

Призначення емітерного переходу - уприскування (інжекція) основних носіїв емітера в базову ділянку.

Інжекція емітерного переходу оцінюється через коефіцієнт інжекції:

, (А.3)

відношення емітерного струму, обумовленого носіями емітера до загального струму емітера, створеного як основними носіями емітера, так і основними носіями бази.

Для підвищення ефективності емітера і зменшення складової струму основних носіїв бази, ділянку емітера роблять з більшою концентрацією основних носіїв, ніж ділянка бази.

Для бази носії, які інжектувалися емітером, є неосновними. При прямому зсуві емітерного переходу поблизу нього в базі виникає значне зростання неосновних носіїв. Створюється дифузійний потік від емітерного переходу до колекторного (де їх навпаки -- не вистачає). Під дією прискорюючого поля неосновні носії бази втягуються в ділянку колектора, що створює керований колекторний струм Iкк в його ланцюзі.

Коефіцієнт переносу показує, яка частина інжектованих емітером носіїв досягає колекторного переходу (оскільки зрозуміло, що досягають не всі). Цей коефіцієнт визначається як відношення керованого колектором струму до струму емітера, створеного основними носіями.

(А.4)

Також важливим параметром є коефіцієнт передачі струму емітера (приріст струму колектора до приросту струму емітера при незмінній напрузі на колекторному переході).

(А.5)

Цей коефіцієнт мало відрізняється від одиниці (від 0,95 до 0,99). Але окрім колекторного струму, створеного інжекцією, в колекторному ланцюзі тече ще і невеликий за величиною зворотний струм колекторного переходу Iкзв, обумовлений неосновними носіями колектора і бази. При зміні навколишньої температури зворотний струм порушує стабільність роботи транзистора, оскільки Iк = Iкк + Iкзв.

Можна також згадати, що кожен транзистор має ряд параметрів. Частину з них можна назвати параметрами транзисторів при малих струмах, а інші - фізичними параметрами транзистора.

Розглянемо спершу параметри при малих струмах. При малих струмах транзистор можна розглядати як лінійний активний чотириполюсник.

Рисунок А.7 - Чотириполюсник

До фізичних параметрів транзисторів відносяться: r(е) - опір емітерного переходу з урахуванням об'ємного опору емітерної області (звичайно - декілька десятків Ом); r(k) - опір колекторного переходу (від декількох сотень кілоом до мегаома); r(b) - об'ємний опір бази (декілька сот Ом).

Також будь-який транзистор має т.з. граничні характеристики: граничну температуру переходів (для кремнієвих транзисторів до 200 градусів за Цельсієм, для германієвих - до 100) і максимальну потужність, що розсіюється транзистором:

, (А.6)

де Tнав - температура навколишнього середовища, RTнав - тепловий опір, Tnmax - гранична температура переходів.

Від температури залежать і інші характеристики транзисторів. Наприклад, при підвищенні температури на 10 градусів струм Iкзв зростає в 2 рази, що порушує режим роботи транзистора у бік великих струмів. Тому в промисловості застосовуються транзистори з більш термостійких матеріалів (кремнієві) і різні методи охолоджування схеми.

Проте, біполярні транзистори мають вельми невеликий вхідний опір і високу інерційність. Тому в комп'ютерах використовуються в основному польові транзистори, які (до того ж) набагато легше піддаються мініатюризації. Біполярні транзистори дають більшу швидкодію.

А.5 Польові транзистори

Польові транзистори бувають двох типів - канальні і з ізольованим затвором. Останні і застосовуються в комп'ютерах, їх ми і розглянемо.

Рисунок А.8 - Польові транзистори (канальний та з ізольованим затвором)

Тут (рис. А.8) і далі сірим кольором позначається оксид кремнію SiO2.

Металевий електрод затвору ізольований від каналу тонким шаром діелектрика (двоокисом кремнію SiO2). Концентрація домішків в областях стоку і витоку значно більше, ніж в каналі. Основою для транзистора служить напівпровідник p-типу. Витік, стік і затвор мають металеві відводи, за допомогою яких транзистор і підключається до схеми. Такий транзистор також називається МОН-транзистором (метал-окис-напівпровідник).

МОН-транзистори характеризуються такими статичними параметрами режиму насичення:

, при Uc=const, (А.7)

де S - крутизна характеристик, - зміна струму стоку, - зміна напруги на затворі при постійній напрузі на стоці.

,при Uзі=const, (А.8)

де Ri - внутрішній опір, - зміна напруги на стоці, - зміна струму стоку при постійній напрузі на затворі.

, при Iс=const, (А.9)

де - коефіцієнт посилення, що показує, в скільки разів сильніше впливає на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоці.

Uзі від - зворотна напруга на затворі (напруга відсічення), при якому струмопровідний канал стає перекритим.

Вхідна напруга між затвором і витоком визначається при максимально допустимій напрузі між цими електродами.

На високих частотах також дуже важливими є міжелектродні ємності: вхідна, прохідна і вихідна.

До найважливіших переваг польових транзисторів відносяться:

- Високий вхідний опір (до Ом).

- Малий рівень власних шумів.

- Висока стійкість до температурних і радіоактивних дій.

- Висока щільність елементів при використанні в інтегральних схемах.

- Низька інерційність.

А.6 Реалізація інших напівпровідникових приладів в інтегральних схемах

Конденсатор (використовується бар'єрна місткість обернено включеного p-n переходу).

Рисунок А.9 - Конденсатор Рисунок А.10 - Резистор

Резистор (базові - високоомні, емітерні - низькоомні. Як змінний резистор можна використовувати уніполярний транзистор).

Індуктивність звичайно не використовується, оскільки схеми проектують так, щоб уникнути її використання, проте, якщо все ж таки виникає необхідність введення в схему окремої індуктивності, то її наносять на поверхню оксиду кремнію металевої спіралі.

Рисунок А.11 - Діоди з різними видами підключення

Діоди b і e - на основі колекторного переходу мають найбільшу зворотну напругу. На основі емітерного переходу (а, d) - мають найбільшу швидкодію і найменший зворотний струм. На основі паралельного включення переходів (с) - найменшу швидкодію і найбільший прямий струм.

Таким чином, за допомогою транзисторів в мікросхемах виконуються практично всі необхідні радіоелементи.

Додаток Б

Фотоелектричний ефект

Фотоефект - явище випускання електронів речовиною під дією світла, було відкрито в 1887 Г.Герцем, який виявив, що іскровий розряд в повітряному проміжку легше виникає за наявності поблизу іншого іскрового розряду. Герц експериментально показав, що це пов'язано з ультрафіолетовим випромінюванням іншого розряду. У 1889 Дж.Томсон і Ф.Ленард встановили, що при освітленні поверхні металу у відкачаній посудині вона випускає електрони. Продовжуючи ці дослідження, Ленард продемонстрував в 1902, що число електронів, що вилітають за 1 с з поверхні металу, пропорційно інтенсивності світла, тоді як їх енергія залежить лише від світлової довжини хвилі, тобто кольору. Обидва ці факти суперечили виведенням теорії Максвела про механізм випускання і поглинання світла. Згідно цієї теорії, інтенсивність світла є мірою його енергії і, звичайно, повинна впливати на енергію електронів, що випускаються. В 1905 А.Эйнштейн, ґрунтуючись на попередній роботі М.Планка, присвяченій тепловому випромінюванню, висунув гіпотезу, згідно якої поведінка світла певним чином схожа з поведінкою хмари частинок, енергія кожної з яких пропорційна частоті світла. Пізніше ці частинки були названі фотонами. Їх енергія (квант енергії, згідно Планку і Ейнштейну) дається формулою , де h - універсальна стала, вперше введена Планком і названа його ім'ям, а - частота світла. Ця гіпотеза добре пояснює результати дослідів Ленарда: якщо кожен фотон в результаті зіткнення вибиває один електрон, то інтенсивнішому світлу даної частоти відповідає більше число фотонів і таке світло вибиватиме більше електронів; проте енергія кожного з них залишається такою ж.

Ейнштейн висловив припущення, що електрони, виходячи з поверхні металу, втрачають певну енергію W, звану роботою виходу. Крім того, більшість електронів передають частину своїй енергії навколишнім електронам. Таким чином, максимальна енергія фотоелектрона, що вибивається фотоном даної частоти, описується виразом , де W - величина, залежна від природи металу і стану його поверхні. Цей закон одержав надійне експериментальне підтвердження, особливо в дослідах Р.Міллікена в 1916 році. За роботи у області фотоефекту Ейнштейну була присуджена Нобелівська премія з фізики у 1922 році.

За певних умов фотоефект можливий в газах і атомних ядрах, з яких фотони з достатньо високою енергією можуть вибивати протони і народжувати мезони. Фотоелектричні властивості поверхні металу широко використовуються для керування електричним струмом за допомогою світлового пучка, при відтворенні звуку із звукової доріжки кіноплівки, а також в численних приладах контролю, лічбі і сортування. Фотоелементи знаходять застосування також в світлотехніці.

При опромінюванні напівпровідників світлом в них можна викликати провідність. Фотострум з енергією , яка більша або дорівнює ширині забороненої зони переводить електрони з валентної зони в зону провідності. Пара електрон-дірка, що утворюється при цьому, є вільною і бере участь в створенні провідності. На рисунку Б.1 показана схема утворення фотоносіїв у власному, донорному і акцепторному напівпровідниках. Таким чином, якщо < - для власних напівпровідників; < - для домішкових напівпровідників, то з'являються додаткові носії струму і провідність підвищується. Ця додаткова провідність називається фотопровідністю. Основна провідність, обумовлена тепловим збудженням носіїв струму, називається темновою провідністю. З наведених формул можна визначити мінімальну частоту або максимальну довжину хвилі , при якій світло збуджує фотопровідність.

Рисунок Б.1 - Схеми утворення фотосистем


Подобные документы

  • Розвиток пізнавального інтересу учнів до навчання фізики у позакласній роботі з використанням дидактичних засобів у поєднанні з комп'ютерними технологіями. Можливості застосування графічних пакетів щодо електромагнітних коливань з фізики середньої школи.

    курсовая работа [54,1 K], добавлен 29.10.2014

  • Особливості проведення уроків української мови в початковій школі, їх зміст. Переваги та недоліки використання персонального комп’ютера, розробка дидактичних засобів на уроках української мови. Методика проведення уроків із застосуванням комп'ютера.

    курсовая работа [470,5 K], добавлен 17.06.2009

  • Головні психолого-педагогічні умови формування пізнавального інтересу при вивченні фізики. Вимоги до позакласної роботи з фізики, форми та методи її проведення, оцінка практичної ефективності. Аналіз позакласної навчальної програми з фізики для 11 класу.

    магистерская работа [826,8 K], добавлен 27.02.2014

  • Особливості, обґрунтування необхідності комп’ютерізації системи освіти, зміни змісту діяльності учителя, учнів, структури і організації навчального процесу. Характеристика комп’ютерних технологій, презентацій, які можна використовувати на уроках фізики.

    реферат [36,7 K], добавлен 19.03.2010

  • Методика та психолого-педагогічні особливості проведення уроків читання в початкових класах з використанням комп’ютерів та засобів мультимедіа. Переваги і недоліки використання комп’ютера на уроках у початковій школі. Дидактичні засоби для уроків читання.

    курсовая работа [38,2 K], добавлен 17.06.2009

  • Теоретичні основи використання нових інформаційних технологій в початковій школі. Вплив комп’ютера на психічне і фізичне здоров’я дитини. Проблеми та шляхи їх вирішення. Методичні рекомендації щодо використання НІТ в роботі вчителя початкових класів.

    курсовая работа [48,5 K], добавлен 17.06.2009

  • Комп’ютерні інформаційні технології як елементи системи дидактичних засобів. Ознайомлення студентів-педагогів з варіантами програмного забезпечення. Впровадження комп’ютера у навчально-виховний процес початкової школи. Використання табличної наочності.

    статья [19,5 K], добавлен 15.07.2009

  • Еволюція та сучасний стан комп'ютеризації навчального процесу. Особистісно-орієнтовна взаємодія вчителя й учнів при комп'ютерному навчанні. Переваги й недоліки використання комп’ютера у навчанні. Психолого-педагогічні проблеми комп'ютеризації навчання.

    курсовая работа [77,6 K], добавлен 28.01.2011

  • Стан комп'ютеризації процесу навчання. Методи організації навчання з застосуванням персонального комп'ютера. Технолого-економічні аспекти проблеми дистанційного навчання. Досвід використання комп'ютерний технологій для навчання інформатиці незрячих дітей.

    реферат [33,6 K], добавлен 24.07.2009

  • Поняття про програму, її запуск на виконання та завершення роботи. Основні прийоми керування об’єктами за допомогою миші. Робочий стіл комп’ютера. Введення тексту з клавіатури. Поняття "істинні та хибні висловлення". Розвиток у учнів логічного мислення.

    курсовая работа [416,4 K], добавлен 20.06.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.