Физика как жизнь

НИР

На кафедре преподаватели внимательно следят, чтобы у нас продвигалась научно-исследовательская работа. Я нашла человека, к которому могу обратиться в случае возникновения каких-либо вопросов или трудностей. Также, получила тему магистерской. Касаться она будет сплава с титаном, на который нанесён полупроводник. Сейчас занимаюсь подбором литературы и вскоре начнется ознакомление с методикой.

Как видите, открыла для себя новую опцию - бронирование книг в библиотеке) Надеюсь, через полтора месяца смогу хотя бы немного поддержать диалог по новой теме, да и за отчёт перед кафедрой, надеюсь, стыдно не будет. Поставила себе задачи самостоятельно, показала научнику. Получается как в прошлый раз - один человек из ВУЗа и другой с работы (НИЦ тогда, сейчас из производственной лаборатории) наставляют меня, чем лучше воспользоваться. Очень здорово, что у меня вновь терпеливые учителя.

Все приборы, о которых я писала в этом месяце, являются полупроводниковыми. Но такие приборы были не всегда, как легко догадаться.

В 1833 Фарадей заметил, что электропроводность серебра повышается при нагревании. После него Беккерель открыл, что есть материалы, меняющие электропроводность под воздействием света. Ещё два основополагающих открытия были сделаны Брауном и Шустером: об изменении сопротивления в зависимости от величины, направления и продолжительности тока (это открытие привело к разработке технологии выпрямления тока); и о схожем эффекте между чистой и окисленной медью - Cu действует как полупроводник.

Исследовать полупроводники удалось лишь в 1920-1940-х годах, когда ученые смогли объяснить их устройство материалов на атомарном уровне.

Транзистор создали ученые из лабораторий корпорации Bell. Они начали изучать потенциал p-n перехода полупроводников еще в середине 1930-х. Однако из-за Второй Мировой войны почти всем передовым физикам пришлось изменить вектор работы и исследования остановились на несколько лет.

Первый рабочий транзистор был создан в конце 1947 года. В качестве полупроводника в нем был использован германий (Ge) — его научились очищать и выращивать раньше, чем кремний (Si). Транзистор разработала группа инженеров во главе с Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином. В 1950 году Шокли получил патент на оригинальный транзистор, а Браттейн и Бардин — на его трехэлектродную версию. В 1956 году все трое были награждены Нобелевской премией по физике. (Бардин получил эту премию дважды — в 1972 году он вместе с двумя другими физиками был награждё ей за разработку теории сверхпроводимости).

Уже в 1959 году инженер Жан Эрни разработал планарную технологию производства транзисторов. Она позволила уменьшить утечки электричества и сделать транзисторы плоскими и компактными. По такой технологии они производятся и сегодня. Именно это открытие сделало возможным создание интегральной микросхемы.

Главной проблемой электроники тех лет была перегруженность чипов проводкой — каждый элемент приходилось соединять с другим. При этом все они выделяли тепло и чипы быстро перегревались. Для того, чтобы исправить это, в 1959-1960 годах ученые придумали соединять их через единую подложку из полупроводникового материала.

В 1965 году Гордон Мур, директор по исследованиям Fairchild Semiconductor, сформулировал закон, получивший его имя: количество электронных компонентов на чипе будет удваиваться каждые два года. Также он предсказал, что вместимость чипов станет основным параметром развития всей электроники. Закон выполнялся достаточно долго, но сейчас это уже не так.

ПЗС-матрицы

ПЗС-матрица — это тип датчика изображения, используемый для захвата света и преобразования его в цифровые сигналы. Она состоит из массива светочувствительных пикселей, которые собирают фотоны и преобразуют их в электрические заряды.

Для начала съемки заряд одновременно сбрасывается со всего датчика (глобальный затвор). В процессе воздействия на датчик накапливается заряд, по окончании экспозиции собранный заряд перемещаются в замаскированную область внутри каждого пикселя (так называемый межстрочная ПЗС-матрица), где они могут ожидать считывания без подсчета новых обнаруженных фотонов. Активная область пикселей может начать экспозицию следующего кадра - заряд сохраняется в замаскированной области пикселя. Затем заряды (с каждого пикселя) перемещаются в «регистр считывания», на АЦП. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет подсчитано количество обнаруженных зарядов во всех пикселях.

Способ считывания данных с ПЗС-матрицы отличается от способа считывания данных с КМОП-матрицы достаточно существенно:

● Передача заряда.

Захваченные фотоэлектроны электростатически перемещаются от пикселя к пикселю по сенсору к области считывания в нижней части.

● Механизм считывания

Вместо целого ряда аналого-цифровых преобразователей (АЦП), работающих параллельно, в ПЗС-матрицах используется всего один или два АЦП (а иногда и больше), которые считывают пиксели последовательно.

● Размещение конденсаторов и усилителей
Каждый АЦП имеет один конденсатор и один усилитель (вместо того, чтобы конденсаторы и усилители находились в каждом пикселе).

🌟 Астрономия
ПЗС-матрицы играют решающую роль в астрономической съёмке /есть они, например, в NIRCAM, которая помещена в телескоп «Джеймс Уэбб»/, благодаря своей способности улавливать слабый свет от далеких звезд и галактик. Они широко используются как в обсерваториях, так и в любительской астрономии для астрофотографии с длительной выдержкой, обеспечивая получение четких и детализированных изображений.

🔬 Микроскопия и науки о жизни
В биологических науках ПЗС-датчики используются для регистрации слабых сигналов флуоресценции или тонких клеточных структур. Их высокая чувствительность и однородность делают их идеальными для таких применений, как флуоресцентная микроскопия, визуализация живых клеток и цифровая патология. Линейная зависимость отклика от света обеспечивает точный количественный анализ.

📋 Контроль качества полупроводниковых изделий
ПЗС-датчики играют решающую роль в производстве полупроводников, особенно для контроля качества пластин. Их высокое разрешение и стабильное качество изображения необходимы для выявления микроскопических дефектов в микросхемах, обеспечивая точность, требуемую в полупроводниковом производстве.

🩻 Рентгеновская и научная визуализация
ПЗС-датчики также используются в системах обнаружения рентгеновского излучения и других специализированных приложениях для получения изображений. Их способность поддерживать высокое отношение сигнал/шум, особенно при охлаждении, имеет решающее значение для получения четких изображений в сложных условиях, таких как кристаллография, анализ материалов и неразрушающий контроль.

Здесь можно подробнее посмотреть о телескопе:
https://habr.com/ru/articles/670044/?ysclid=mv3tq910b6376932370#part4_1

Обещала пост про MOSFET, вот и он.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) — это конкретный, наиболее распространённый тип FET (полевых транзисторов, которые управляются напряжением на затворе), отличающийся наличием изолированного затвора. В обоих типах (что в FET, что в MOSFET) ток между истоком и стоком регулируется напряжением на затворе, создающим электрическое поле. Однако из-за разной конструкции реализация этого принципа отличается.

В FET (на примере JFET) управление осуществляется за счёт изменения ширины p-n-перехода между затвором и каналом. При обратном смещении этого перехода канал сужается, уменьшая ток. 

В MOSFET изолирующий слой диэлектрика позволяет формировать под затвором инверсный проводящий слой (канал), который и управляет током. При изменении напряжения на затворе концентрация носителей заряда в канале меняется, что определяет включение или отключение транзистора. Процесс переключения может сопровождаться небольшой задержкой из-за перераспределения заряда.

Применение:

FET (в более общем смысле) используются в аналоговых схемах, например, в усилителях с высокой линейностью. 
MOSFET благодаря своим преимуществам (высокое входное сопротивление, быстрое переключение, низкие потери мощности) стал основой современной микроэлектроники: микропроцессоров, памяти, цифровых интегральных схем.

Преимущества и недостатки MOSFET-транзисторов:

📈 Высокая скорость работы. Благодаря способности переключаться на высокой частоте, MOSFET широко применяются в импульсных источниках питания и цифровых схемах.
📈 Низкое сопротивление в открытом состоянии. Когда транзистор включён, сопротивление между истоком и стоком остаётся минимальным, что снижает тепловые потери и повышает эффективность работы.
📈 Широкая сфера применения. Способность выдерживать большие токи и напряжения позволяет использовать эти транзисторы в самых разных областях электроники.
📈 Компактные размеры и небольшой вес. Современные MOSFET-транзисторы отличаются миниатюрностью, что позволяет использовать их в компактных и портативных устройствах.

📉 Чувствительность к статическому электричеству. Из-за высокого сопротивления устройства могут повреждаться электростатическими разрядами.
📉 Тепловая нестабильность. При высокой мощности нагрев может привести к увеличению сопротивления канала. Этоприводит к снижению эффективности работы.

Фантастические стенгазеты в коридорах моего учебного корпуса остались от студентов, которые давно уже выпустились, конечно. Время от времени хочется взяться за улучшение, облагораживание окружающего пространства! Но это бывает не всегда легко. Опираясь на прошлый опыт со СНО (студенческим научным обществом), даже если подготовлено мероприятие, бывает тяжело найти людей, которые захотят прийти на него после занятий. Я сейчас говорю о лекции, но то же относится к мероприятиям, приуроченным к праздникам и другим активностям. Иногда препятствием становится большое количество пар или работа - причины, бесспорно, уважительные. Но я, честно говоря, не знаю и не понимаю, куда делась совместная "внеурочная" деятельность. Её распространенность, по моему, снижается (несмотря на студентов в библиотеке, объясняющих материал младшим товарищам), и непонятно, как можно было бы это исправить.

📌 Аттестация

Прошла первая контрольная точка. Усиленно готовилась к программированию (компьютерным технологиям) около недели, так получилось, а до этого делала д/з в спокойном режиме. Проверяли нас в понедельник по sage - среде, очень похожей на Python, которой я училась с первого курса. Тем не менее, страшно было эту точку контроля не пройти. Задания были неравномерные, в том смысле, что сильно по сложности разные. Получилось решить только одно задание из трёх, в основном потому что я не знаю на память, в каких библиотеках располагались нужные функции. Посмотрим, что дальше можно будет сделать.

Ещё, получила зачёты по английскому и единственному онлайн-курсу, который у нас был. Касался он написания магистерского диплома (оформления в основном, но была информация про индексирование статей и личные профили учёных)

КМОП-структура

Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов, локализованных в одном месте кристалла. Вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают бо́льшим быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки на поверхности кристалла. Один и тот же потенциал открывает n-канал, закрывая при этом р-канал. При формировании логических 0 или 1 ток должен потечь через один из транзисторов.

По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). О нём и о том, что используют сейчас, я напишу позже.

МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник).

Полупроводниковым материалом чаще всего является кремний (Si), а металлический затвор отделяется от канала тонким слоем изолятора — диоксида кремния (SiO2). Если SiO2 заменён неоксидным диэлектриком (Д), используется название МДП-транзистор. Это разновидность полевого транзистора, в котором ток через проводящий канал регулируется с помощью электрического поля, создаваемого напряжением на изолированном затворе. 

В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением, так как затвор изолирован от стока и истока; такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением.
Впервые выращивать предложил их Мартин Аттала в 1959 году, в том же году он и его коллега, Дион Канг, создали первый работоспособный МОП-транзистор. Первые серийные МОП-транзисторы вышли на рынок в 1964 году (что, по-моему, очень быстро), а уже в 1970-е годы МОП-микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров. В начале XXI века доля МОП-микросхем достигла 99 % от общего числа выпускаемых интегральных схем.

Основные преимущества у них следующие:
✅ Очень высокое входное сопротивление, что позволяет управлять ими с минимальной мощностью.
✅ Быстрое переключение, что критично для цифровых схем и импульсных источников питания.
✅ Компактность, позволяющая создавать высокоплотные интегральные схемы.

МОП-транзисторы — основа современной электроники. Они являются самым массово производимым промышленным изделием, с 1960 года по 2018 год их было произведено около 1.3×10^21 штук. Такие транзисторы используются в современных цифровых микросхемах, являясь основой КМОП-технологии.

🎆Фейерверки

Третьей презентацией по английскому стали именно они. Любопытство привело к тому, что теперь знаю, как делают салюты разной формы, хотя этим вопросом раньше не интересовалась.

Фейерверк китайцы придумали не внезапно. У них растёт бамбук - растение полое внутри, его стебель разделён на секции перегородками, и в каждой такой камере заперт воздух вместе с влагой. Когда стебель попадает в огонь, воздух внутри стремительно нагревается, давление растёт, а стенки не выдерживают. Секция лопается с оглушительным треском. Чем толще бамбук, тем громче взрыв.

Древние китайцы не знали физики газов, но прекрасно видели результат. И сделали из наблюдения ритуал. Считалось, что резкие громкие звуки отпугивают злых духов и нечисть, особенно легендарного зверя по имени Нянь, который, по преданиям, приходил в новогоднюю ночь. Так родилась традиция под названием баочжу - буквально «взрывающийся бамбук» или «жжение бамбука».

После изобретения пороха, бамбуковая трубка, начинённая смесью селитры, серы и угля, взрывалась гораздо зрелищнее. С тех пор технологии, конечно, сильно продвинулись. О том, что за цвет фейерверка отвечает его химическая начинка, наверное, все уже знают. Форма же, в свою очередь, зависит от того, как "заряд" упакован внутри: если требуется сферический фейерверк - надо засыпать однородно; нужны круги - начинку нужно сделать слоями от центра к боковым стенкам и так далее. Сделать рисунок, а не просто придать форму, достаточно тяжело, потому что не всегда можно полностью гарантировать, что задуманное осуществится. 

О том, как устроены разные виды салютов - от простого одиночного до римской свечи и пиротехнической ракеты, есть доступная заметка на следующем сайте: https://show.feerverkin.ru/iz-chego-sdelany-fejerverki

Без интересных фактов обойтись не получится:

✓ Самый массивный фейерверк в истории был запущен в Японии и весил свыше 450 кг.

✓ Современные салюты могут подниматься на высоту до 300 метров — это как три небоскрёба, поставленных друг на друга!

✓ И недавно, летом 2026 обновился рекорд Гиннесса по фейерверку с самым большим числом залпов (США), правда, первенство в самом долгом салюте всё ещё за Филлипинами! Продлился он немногим больше 61 минуты.

Источник: https://zhodinonews.by/kak-sozdayutsya-formy-i-figury-v-nebe-sekrety-pirotehnicheskih-shou