电子科技 专业基础实验 电子科学与技术学院编 2012.1
电子科技 专业基础实验 电子科学与技术学院编 2012．1
电子科技专业基础实验 1微波基本测量… 2二维电场的模拟实验……………………… 3电磁波的布拉格衍射实验… 4射频图像传输 5偏振光实验… 6光源光谱特性的测量…… 7光磁共振实验…… …32 8半导体光电导实验……………… 9光栅实验……………… 10单色仪的标定实验……… 迈克尔逊干涉仪 12半导体光伏效应实验…………… 13半导体霍尔效应实验…… 14PN结正向压降温度特性实验 5半导体少数载流子寿命测量… 16四探针测电阻率实验…
电子科技专业基础实验 1 微波基本测量………………………………………………………………………………1 2 二维电场的模拟实验………………………………………………………………………7 3 电磁波的布拉格衍射实验…………………………………………………………………12 4 射频图像传输 ……………………………………………………………………………16 5 偏振光实验…………………………………………………………………………………23 6 光源光谱特性的测量………………………………………………………………………29 7 光磁共振实验………………………………………………………………………………32 8 半导体光电导实验…………………………………………………………………………41 9 光栅实验……………………………………………………………………………………47 10 单色仪的标定实验…………………………………………………………………………51 11 迈克尔逊干涉仪……………………………………………………………………………54 12 半导体光伏效应实验………………………………………………………………………60 13 半导体霍尔效应实验………………………………………………………………………66 14 PN 结正向压降温度特性实验 ……………………………………………………………72 15 半导体少数载流子寿命测量………………………………………………………………77 16 四探针测电阻率实验………………………………………………………………………80
专业基础实验 实验1微波基本测量技术 实验目的 1.学习微波的基本知识 2.了解波导测量系统,熟悉基本微波元件的作用 3.了解微波在波导中传播的特点,掌握微波基本测量技术; 4.掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法 5.学习用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。 实验原理 (一)微波基本知识 在微波波段,随着工作频率的升高,导线的趋肤效应和辐射效应增大,使 得普通的双导线不能完全传输微波能量,而必须改用微波传输线。常用的微波 传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种 形式的传输线,本实验用的是矩形波导管,波导是指能够引导电磁波沿一定方 向传输能量的传输线 传输线的特性参量与工作状态在波导中常用相移常数。波导波长,驻波系数 等特性参量来描述波导中的传输特征,对于一个横截面为aⅹb的矩形波导中的 TE波 自由空间波长 λ=c/f, 截止(临界)波长A=2a 波导波长 /、1-(A/ L)2 (1) 相移常量B=2x/ 反射系数 F=E反/E入 驻波比 P=Em/E 由此可见,微波在波导中传输时,存在着一个截止波长λ,波导中只能 传输A<A的电磁波。波导波长2>自由空间波长 在实际应用中,传输线并非是无限长,此时传输线中的电磁波由人射波 和反射波迭加而成,传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。 (1)波导终端接匹配负载时,微波功率全部被负载吸收,无反射波, 波导中呈行驻波状态.此时r=0,p=1
专业基础实验 - 1 - 实验 1 微波基本测量技术 一．实验目的 1. 学习微波的基本知识； 2. 了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用； 3．了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； 4．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法； 5．学习用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。 二．实验原理 （一）微波基本知识 在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使 得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。常用的微波 传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种 形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方 向传输能量的传输线。 传输线的特性参量与工作状态在波导中常用相移常数。波导波长，驻波系数 等特性参量来描述波导中的传输特征，对于一个横截面为a × b 的矩形波导中的 TE10波： 自由空间波长 λ = c f / ， 截止（临界）波长 2 c λ = a， 波导波长 2 /1 / λg c = − λ λλ （ ） （1） 相移常量 2 / β = π λg，， 反射系数 Γ = E 反/E 入 驻波比 max min ρ = E E/ ， 由此可见，微波在波导中传输时，存在着一个截止波长λc，波导中只能 传输λ ＜λc的电磁波。波导波长λg ＞自由空间波长λ 。 在实际应用中，传输线并非是无限长，此时传输线中的电磁波由人射波 和反射波迭加而成，传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。 （1）波导终端接匹配负载时，微波功率全部被负载吸收，无反射波， 波导中呈行驻波状态．此时|Γ |=0， ρ ＝l
专业基础实验 (2)波导终端短路(接理想导体板).开路或接纯电抗性负栽时,形成 全反射,波导中呈纯驻波状态。此时=1,p=∞ (3)波导终端接一般性负载(有电阻又有电抗)时,形成部分反射,波 导中呈行驻波状态.此时0<r<1,1<p<∞ (二)常用微波元件及设备简介 1.波导管:本实验所使用的波导管型号为BJ-100,其内腔尺寸为a 2286mm,b=10.l6mm。其主模频率范围为8.20~12.50GHz,截止频率 为6.557GHz 2.隔离器:位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有 着不同的吸收,经过适当调节,可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。 隔离器常用于振荡器与负载之间,起隔离和单向传输作用 3.衰减器:把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边,纵向 插入波导管即成,用以部分衰减传输功率,沿着宽边移动吸收片可改变衰减量 的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 4.谐振式频率计(波长表):电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔 中,当频率计的腔体失谐时,腔里的电磁场极为微弱,此时,它基本上不影响波 导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时,发生谐振,反映到波导 中的阻抗发生剧烈变化,相应地,通过波导中的电磁波信号强度将减弱,输出幅 度将出现明显的跌落,从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度,通过査表可得 知输入微波谐振频率。 5.驻波测量线:驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精 密仪器。在波导的宽边中央开有一个狭槽,金属探针经狭槽伸入波导中。由于 探针与电场平行,电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电 流信号输出。 6.晶体检波器:它的典型结构是在一段直波导上加装微波检波二极管,短 路活塞和调配钉而成。晶体检波二极管置于平行微波电场方向,当有微波输入 时,在晶体中感应出微波信号。 7.微波源:提供所需微波信号,频率范围在8.6~9.6GHz内可调,工作 方式有等幅、方波、外调制等,实验时根据需要加以选择。 (三)微波的传输特性和基本测量 本实验是微波实验中的基本实验之一,要求学会使用基本微波器件,了解微 波的传输特性,并掌握频率,波导波长以及驻波比等基本量的测量 1.微波频率的测量 微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量,实验中常采用吸收式谐 振频率计进行频率测量.谐振式频率计含有一个装有调谐柱塞的圆形空腔, 空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上,形成波导的分支,测量频率时,调节 频率计上的调谐机构,将腔体调至谐振,此时波导中的电磁场就有部分功率 进入腔内,使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少.只要读出对应系 统输出为最小值(减幅最大)时调谐机构上的读数,就得到所测量的微波频 率.注意测量完毕要调节频率计的调谐机构使腔体失谐,此时腔里的电磁场 极为微弱,它不吸收微波功率,也基本上不影响波导中波的传输, 2.波导波长和驻波比的测量
专业基础实验 - 2 - （2）波导终端短路（接理想导体板）．开路或接纯电抗性负栽时，形成 全反射，波导中呈纯驻波状态。此时|Γ |=1， ρ ＝∞。 （3）波导终端接一般性负载（有电阻又有电抗）时，形成部分反射，波 导中呈行驻波状态．此时 0＜|Γ |＜l，1＜ ρ ＜∞。 （二）常用微波元件及设备简介 1．波导管：本实验所使用的波导管型号为 BJ—100，其内腔尺寸为α＝ 22.86mm，b＝10．16mm。其主模频率范围为 8．20～12．50GHz，截止频率 为 6．557GHz。 2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有 着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图 1)。 隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向 插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量 的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 4．谐振式频率计（波长表）：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔 中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波 导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导 中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅 度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得 知输入微波谐振频率。 5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精 密仪器。在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于 探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电 流信号输出。 6．晶体检波器：它的典型结构是在一段直波导上加装微波检波二极管，短 路活塞和调配钉而成。晶体检波二极管置于平行微波电场方向，当有微波输入 时，在晶体中感应出微波信号。 7．微波源：提供所需微波信号，频率范围在 8．6～9．6GHz 内可调，工作 方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。 （三）微波的传输特性和基本测量 本实验是微波实验中的基本实验之一，要求学会使用基本微波器件，了解微 波的传输特性，并掌握频率，波导波长以及驻波比等基本量的测量。 l．微波频率的测量 微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，实验中常采用吸收式谐 振频率计进行频率测量．谐振式频率计含有一个装有调谐柱塞的圆形空腔， 空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上，形成波导的分支，测量频率时，调节 频率计上的调谐机构，将腔体调至谐振，此时波导中的电磁场就有部分功率 进入腔内，使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少．只要读出对应系 统输出为最小值（减幅最大）时调谐机构上的读数，就得到所测量的微波频 率．注意测量完毕要调节频率计的调谐机构使腔体失谐，此时腔里的电磁场 极为微弱，它不吸收微波功率，也基本上不影响波导中波的传输。 2．波导波长和驻波比的测量
专业基础实验 实验中通常采用驻波测量线来测量波导波长和驻波比 (1)波导波长的测量。 波导波长在数值上为相邻两个驻波极值(波腹或节点)距离的两倍。驻波极 值点用驻波测量线来测量。本实验中通过平均值法来测量波导波长。亦即记录 下每一个驻波极值点,然后分别对相邻的波腹和节点之间取差值计算 (2)驻波比的测量 驻波比定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比.即 E 其中Em和Em分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场 强度.由于终端负载不同,驻波比ρ也有大中小之分。因此,驻波比测量的 首要问题是,根据驻波极值点所对应的检波电流,粗略估计驻波比的大小。 在此基础上,再作进一步的精确测定。实验中微波信号比较弱。可以认为检 波晶体(微波二极管)符合平方律检波,即电表上的读数I与微波功率成正 比:I∝P,依据公式 (3) 求出粗略值后,再按照驻波比的三种情况,进一步精确测定ρ的值。 (a)大驻波比(p>6)的测量。在大驻波比情况下,检波电流与 l-相差太大,在波节点上检波电流极微,在波腹点上二极管检波特性远离 平方律故不能用(3)式计算驻波比p,可采用“二极管小功率法”。如图1 所示,利用驻波测量线测量极小点两旁功率为其两倍的点坐标,进而求出W (W为等指示度之间的距离),则 (4) 必须指出:W与λg的测量精度对测量结果影响很大,因此必须用高精度的 探针位置指示装置(如百分表进行读数。 (b)中驻波比(1.5≤p≤6)的测量。中驻波比的情况可直接根据式(3)计算, E
专业基础实验 - 3 - 实验中通常采用驻波测量线来测量波导波长和驻波比。 （l）波导波长的测量。 波导波长在数值上为相邻两个驻波极值（波腹或节点）距离的两倍。驻波极 值点用驻波测量线来测量。本实验中通过平均值法来测量波导波长。亦即记录 下每一个驻波极值点，然后分别对相邻的波腹和节点之间取差值计算。 （2）驻波比的测量 驻波比定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比．即 , min max E E ρ = （2） 其中 Emax 和 Emin 分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场 强度．由于终端负载不同，驻波比 ρ 也有大中小之分。因此，驻波比测量的 首要问题是，根据驻波极值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比的大小。 在此基础上，再作进一步的精确测定。实验中微波信号比较弱。可以认为检 波晶体（微波二极管）符合平方律检波，即电表上的读数 I 与微波功率成正 比： I ∝ P ，依据公式 , min max min max I I E E ρ = = （3） 求出粗略值后，再按照驻波比的三种情况，进一步精确测定 ρ 的值。 （a） 大驻波比（ ρ > 6）的 测量。在大驻波比情况下，检波电流 max I 与 min I 相差太大，在波节点上检波电流极微，在波腹点上二极管检波特性远离 平方律,故不能用（3）式计算驻波比 ρ ，可采用“二极管小功率法”。如图 1 所示，利用驻波测量线测量极小点两旁功率为其两倍的点坐标，进而求出 W （W 为等指示度之间的距离），则 ρ = g W λ π ， （4） 必须指出：W 与λg 的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的 探针位置指示装置(如百分表)进行读数。 （b）中驻波比(1.5 ≤ ρ ≤ 6)的测量。中驻波比的情况可直接根据式（3）计算， , min max min max I I E E ρ = = （5）