Дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Інститут радіоелектроніки та телекомунікацій

Кафедра інформаційних технологій проектування в електроніці та телекомунікаціях

Пояснювальна записка до дипломного проекту спеціаліста

на тему Дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів

Виконала: студентка 5 курсу, групи РІ-081

напряму підготовки 6.050101 «Комп'ютерні науки»

Спеціальності 7.05010102 - Інформаційні технології проектування

Коверзюк М.О.

Керівник проф.Мокрицький В.А.

Одеса - 2013 року

Анотація

до дипломної роботи на тему: Дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів.

Дипломна робота присвячена розробці комп'ютерного імітатора лабораторної роботи з дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів. КІЛР максимально імітує роботу студента, яку він повинен провести при виконанні лабораторної роботи, значно полегшує роботу користувача, оскільки йому не потрібно знімати виміри, проводити розрахунки і будувати графіки вручну.

Був розроблений алгоритм функціонування інтерфейсу користувача.

При виборі програмних систем для реалізації алгоритму, та можливості побудови графічного інтерфейсу користувача було обрано мову програмування Tcl/Tk. Даний програмний продукт поширюється під ліцензією на вільне програмне забезпечення GNU General Public License

Реалізуючи складений алгоритм було розроблено модуль реалізації інтерфейсу користувача, на мові Tcl/Tk.

В результаті виконання тестового прикладу було проведено налагодження програми. Також був розроблений інсталяційний диск із модулем та реалізовано захист від несанкціонованого копіювання.

Також проведено розрахунки техніко-економічних показників програми КІЛР. В розділі охорони праці аналізується умови проведення лабораторних робіт у комп'ютерних класах.

ВСТУП

З розвитком новітніх технологій все частіше почали використовиватись системи імітаційного моделювання.

Імітаційне моделювання - метод дослідження, що дозволяє будувати моделі, що описують процеси так, як вони проходили б у дійсності.

Мета імітаційного моделювання полягає у відтворенні поведінки досліджуваної системи на основі результатів аналізу найбільш суттєвих взаємозв'язків між її елементами або іншими словами - розробці симулятора.

Імітаційне моделювання дозволяє імітувати поведінку системи в часі. Перевагою є те, що часом в моделі можна управляти: уповільнювати у випадку з швидкоплинучими процесами і прискорювати для моделювання систем з повільною мінливістю. Можна імітувати поведінку тих об'єктів, реальні експерименти з якими дорогі, неможливі або небезпечні.

В даному проекті розлянемо один з напрямків використання комп'ютерного імітатора лабораторної роботи (КІЛР) - створення лабораторної роботи для використання при проведені різних видів занять.

КІЛР імітує лабораторний стенд з дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів. КІЛР може бути встановлен у комп'ютерних класах, де кожен студент буде мати можливість провести дослідження з лабораторної роботи. КІЛР значно значно полегшить роботу та заощадить час її проведення студентом.

1. ІНФОРМАЦІЙНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА РЕАЛІЗАЦІЯ КОМП'ЮТЕРНОГО ІМІТАТОРА ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ (КІЛР) З ДОСЛІДЖЕННЯ РЕАКТИВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ.

1.1 Призначення та область використання КІЛР, його основні техніко-економічні характеристики

Використання нових інформаційних технологій дозволяє багато у чому підвищити ефективність і якість освітнього процесу. В наш час важко представити повноцінну підготовку фахівця з інженерних спеціальностей без його ознайомлення з реальними приладами і устаткуванням, і здобуття навиків роботи з ними. Знання сучасних технологій відкриває перед студентами широкі можливості не лише в області науки, але і в інших аспектах життя. Однією з найважливіших складових навчання студентів, сприяючих виробленню практичних навиків, є лабораторний практикум. Учбові лабораторії мають бути оснащені устаткуванням і сучасними контрольновимірувальними приладами. Розвиток сучасної техніки йде по шляху створення нових пристроїв і фізичних моделей, що вимагають значних фінансових витрат. Але для їх вивчення можливо створити комп'ютерні програми і тренажери, які імітують їх дію, з порівняно невеликими витратами.

Розробляємий програмний продукт призначений для студентів вищих навчальних закладів і повинен замінити стенд лабораторної роботи за темою: «Дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів».

Мета даного програмного забезпечення це:

1. Заміна стенду лабораторної роботи та його програмну реалізацію.

2. Ознайомлення студента з теоретичним матеріалом даної лабораторної роботи.

3. Візуальне представлення результатів лабораторної роботи та виведення цих результатів у файл.

Переваги такого підходу:

1. Програмна імітація лабораторного стенду значно скорочує фінансові витрати на придбання обладнання і подальше використання (поняття «ремонт» відпадає саме по собі) в порівнянні з його реальним аналогом.

2. Відпадає необхідність у додатковому приміщенні для розміщення лабораторного стенду. Студент з легкістю може скористатися їм в комп'ютерному класі або за власним комп'ютером.

3. Даний програмний продукт написаний на кросплатформній мові Tcl Tk, тому його можна використовувати не тільки на операційних системах сімейства Windows, а також на безкоштовно розповсюджуемих ОС, таких як Linux та Unix. За рахунок безкоштовної ОС витрати на використання КІЛР можна звести до мінімуму. У сумі це має величезне значення для користувачів цього програмного продукта.

1.2 Розробка математичної моделі процесу роботи напівпровідникових приладів

У роботі досліджується реактивні властивості напівпровідникових приладів з p-n-переходами.

Реактивні властивості p-n-переходів визначаються бар'єрною та дифузійною ємностями.

Вихідним матеріалом для виготовлення напівпровідникових приладів є елементи четвертої групи періодичної системи Менделєєва кремній, германій. Всі вони є монокристалічними речовинами .

При підвищенні температури або при опромінюванні напівпровідника променистою енергією частина валентних електронів, одержавши необхідну енергію, залишають ковалентні зв'язки і стають вільними 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, в результаті через напівпровідник проводить струм. Провідність, обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною (n-тип від “negative” ), а рухом дірок - відповідно, дірковою (p-тип від “positive”).

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

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

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в монокристалі з p-n-переходом. У n-ділянці концентрація електронів більше, ніж дірок,а в p-ділянці - навпаки. Під дією градієнта концентрації виникає дифузія основних носіїв заряду: електрони дифундують в p-ділянку, а дірки - в n-ділянку.

Виникають області з надмірними концентраціями неосновних носіів для даного типу напівпровідника. Таким чином виникає внутрішнє електричне поле Езап p-n переходу, встановлюється контактна різниця потенціалів між двома типами напівпровідника, яка залежить від властивостей матеріалу. Під дією внутрішнього поля основні носії відтісняються від межі напівпровідників. На межі утворюється тонкий шар, практично позбавлений основних носіїв заряду, який має великий опір.

Цей шар називається запірним шаром.

Неосновні носії вільно проходять крізь внутрішнє поле p-n переходу, оскільки воно для них є дрейфовим полем, створюється струм провідності (дрейфу). Основні носії, що здатні долати 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 електричне поле цього джерела буде протилежним внутрішньому 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 струм дрейфу зменшується. В результаті утворюється результуючий прямий струм, що тече в напрямі від p до n-ділянки. Якщо прикласти напругу зворотної спрямованості ( зворотне включення), то напруженість внутрішнього поля p-n переходу зростає, дифузійні струми зменшуються практично до нуля (росте потенціальний бар'єр). Струм дрейфу практично не змінює свого значення. Виникає зворотний струм , який пропорційний кількості неосновних носіїв в напівпровіднику і тому набагато менше (приблизно на 6 порядків) прямого струму. Таким чином, можна вважати, що напівпровідник з p-n переходом має односторонню провідність.

При роботі p-n перехода 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 призводить до швидкого наростання зворотнього 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 ( бар'єрна ємність p-n переходу). Вона залежить від площі переходу і напруги, що подається до нього.

При подачі на p-n-перехід запірної напруги висота потенційного бар'єру між p- та n-областями зростає на величину прикладеної напруги,зростає також і електричне поле у переході. Це приводить до розширення p-n-переходу. Електрони і дірки,виштовхнуті полем з переходу,входять в середину p- та n-областей і - далі у зовнішній електричний ланцюг. Внаслідок цього збільшується позитивний об'ємний заряд в n-області і негативний об'ємний заряд в p-області. Зміна напруги, прикладеної до переходу, приводить до зміни об'ємного заряду переходу, тобто p-n-перехід діє як ємність. Ця ємність називається бар'єрною,тому що вона пов'язана з утворенням потенційного бар'єру в p-n-переході

(1.1)

де -ширина запірного шару переходу; S-площа p-n-переходу;

-відносна діелектрична проникність напівпровідника ( для );

-абсолютна діелектрична проникність.

Для випадку східчатої зміни концентрації домішок у p-n-переході бар'єрна ємність виражається такою формулою :

, (1.2)

де e-заряд електрона

Формула (1.2) справедлива для зворотніх напружень,менших пробивної напруги p-n-переходу, а також при малих прямих зміщеннях.

Зазвичай для діодів концентрація домішок в одній з областей значно більше,ніж у іншій. Якщо >>, перехід розширюється у р-область і величина бар'єрної ємності не залежить від властивостей n-області. Тоді

, (1.3)

У розглянутому випадку товщина p-n-переходу і велечина ємності

визначаються концентрацією домішок в більш високоомній області напівпровідникового діода (базі), оскільки товщина шару об'ємного заряду у базі значно більша,ніж в високоомній області. Рівняння (1.3) дозволяє знайти контактну різницю потенціалів і концентрацію домішки .

Графік залежності , побудований тільки для зворотніх зміщень,відсікає по осі абсцис відрізок,що дорівнює за величиною Концентрацію домішки можна знайти також з формули (1.3), (рис. 1.1).



Рисунок 1.1 - Залежність бар'єрної ємності від напруги

Залежно від площі p-n-переходу бар'єрна ємність може бути в межах від одиниці до сотень мікрофарад.

Якщо відома експериментальна залежність ,то на основі моделі p-n-переходу у вигляді плоского конденсатора можна за формулою (1.1) побудувати залежність ширини запірного шару переходу від прикладеної напруги (рис.1.2).

Зміна бар'єрної ємності у робочому інтервалі напруги визначається коефіцієнтом перекриття:

, (1.4)

Відносна зміна ємності при зміні напруги визначається коефіцієнтом нелінійності:

, (1.5)

Ємність запірного шару має високу добротність, малий температурний коефіцієнт, низький рівень власних шумів і не залежить від частоти аж до частот міліметрового діапазону. Вона використовується для створення керованих напругою напівпровідникових конденсаторів-варікапів.

При подачі на p-n-перехід прямого зміщення висота потенційного бар'єра зменшується на величину прикладеної напруги, перехід звужується, кількість зарядів g зменшується. У такому відкритому p-n-переході, крім бар'єрної ємності,є також дифузійна ємність. Поява дифузійної ємності спричинена інжекцією неосновних носіїв в області p- і n при протіканні через p-n-перехід прямого струму: в область р інжектуються електрони, а в область n - дірки. Одночасно, в силу умови електронейтральності, збільшується число основних носіїв в p- та n-областях. При цьому заряди дірок, інжектованих у n-область, нейтралізується зарядом додаткових електронів, які увійшли в область n . Аналогічні процеси відбуваються у р-області.

При зміні прямої напруги на p-n-переході відбувається зміна інжектованого об'ємного заряду в ньому,тобто має місце ємність, зумовлена дифузією неосновних носіїв, яка називається дифузійною.

Дифузійна ємність визначається рівнянням:

(1.6)

де -заряд дірок, інжектованих у n-область; -заряд електронів, інжектованих у р-область.

Якщо концентрація домішок в одній з областей значно вище,ніж у іншій, то можна знехтувати інжекцією в область з високою концентрацією домішок. Тут заряд електронів, дифундованих у базу р-області, у випадку низьких частот буде таким:

 (1.7)

де -час життя неосновних носіїв у базі; -дифузійна довжина електронів у р-області.

Отже, диференційна дифузійна ємність буде:

(1.8)

З виразу (1.8) видно,що дифузійна ємність залежить від напруги на p-n-переході. При подачі на p-n-перехід зворотньої напруги дифузійна ємність зменшується до нуля. Дифузійна ємність шунтована малим опором відкритого p-n-переходу, тому її добротність мала (не перевищує одиниці) у всьому діапазоні частот. Еквівалентна схема p-n-переходу представлена на рисунку 1.2. Для реальних діодів добротність дифузійної ємності ще менша через наявність послідовного опору r.

При зростанні частоти дифузійна ємність зменшується. Це пояснюється тим, що інжектований заряд неосновних носіїв у базі діода не встигає йти за зміною напруг на p-n-переході.

С

Размещено на http://www.allbest.ru/

R

Рисунок 1.2 - Еквівалентна схема p-n-переходу

де r- сумарний опір об'єму електронної і діркової частин напівпровідника;

R - диференційний опір переходу;

-диференційна ємність переходу.

1.3 Аналіз властивостей мови програмування Tcl/Tk для проектних розробок КІЛР

Для розробки комп'ютерного імітатора лабораторної роботи будемо використовувати мову високого рівня Tcl/Tk

Tcl (Tool Command Language) - це мова програмування та інтерпретатор з цієї мови. Інтерпретатор Tcl можна включити до складу прикладних програм. Tcl та набір інструментів створення графічних інтерфейсів користувача під назвою Tk, що використовується разом з ним. Tcl - інтерпретована мова, тобто програми на Tcl готові до виконання без компіляції і компоновки.

Однією з головних переваг цієї мови є те, шо її використання цілком безкоштовно. Вона є вільно розповсюдженою, завантажити її можливо з офіційного сайта [1].

Інтерпретатор Tcl портований на більшість поширених платформ. Він розповсюджується під вільною некопілефтною ліцензією, що дозволяє використовувати його без обмеження у розробці програм.[2]

Сфери застосування мови - швидке створення прототипів, графічних інтерфейсів для консольних програм (пакетів програм), вбудовування в прикладні програми, тестування. Інколи Tcl застосовується для створення CGI скриптів.

Tcl, разом з Perl i Python, став однією з трьох класичних скриптів мов загального призначення.

Особливості:

У Tcl даними всіх типів, включаючи код програми, можна маніпулювати як рядками. Ця парадигма програмування враховувалася в ході розробки і еволюції мови.

Програма на Tcl складається з команд, розділених символами нового рядка або крапками з комою. Кожна команда складається з набору полів, розділених пропусками. Перше поле має бути ім'ям команди, а необов'язкові останні поля - передаваємі цій команді аргументи. Команда повертає значення, інколи порожнє. Тобто, як і в Ліпсі, в Tcl використовується префіксна нотація.

Поняття команди в Tcl аналогічно поняттю процедури або функції поширених мов програмування. Це відноситься і до конструкцій мови, що управляють. У поєднанні з елементарним синтаксисом це забезпечує хорошу розширюваність мови, у тому числі і з бібліотеками, написаними на інших мовах, таких як С/C++ або Java.

У Tcl також якісно реалізована модель управління програмою на основі подій. Події можуть генеруватися таймером, при появі даних у каналі, зміні значення змінній, при завершенні якої-небудь зовнішньої програми або просто при роботі користувача з інтерфейсом Tk. Можна задавати свої події і керувати ними.

Як і більшість сучасних скриптових мов, Tcl містять розвинені засоби роботи з регулярними виразами, працюють з асоціативними масивами і іншими динамічними структурами даних.

Тk надає набір Tcl команд, призначених для створення компонентів і виконання різних дій з ними. Компоненти організовані в ієрархічну структуру, тобто існує головне вікно в якому створюються дочірні вікна.

Дочірні вікна можуть виступати в якості головних стосовно інших вікон. Подібно тому, як в ієрархічній файловій системі каталоги вистають, як контейнери для файлів і інших каталогів. Ієрархія вікон впливає на принцип іменування компонентів і дозволяю впорядкувати вікна на екрані.

Компонентами управляють диспетчери компонування, які визначають розміри компонентів і їхнє розміщення на екрані. В основу роботи диспетчера компонування покладений той факт, що одні компоненти, названі фреймами, виступають у ролі контейнерів для інших компонентів. Поміщаючи фрейми в інші фрейми, можна реалізувати складні екранні форми. У програмі використаються два диспетчери компонування grid та pack.

Tcl - потужна і в той же час проста для вивчення динамічна мова програмування, що однаково добре підходить для вирішення широкого кола завдань, включаючи web і настільні додатки, роботу з мережею, адмініс- трування, автоматизоване тестування і багато іншого. Tcl сьогодні - це зріла мова, що постійно розвивається, вона реально багатоплатформова, має як OpenSource, так і комерційні реалізації дистрибутиви, на ній легко розробляти програми і її легко розширювати.[5]

У даній роботі було застосовано сценарії Tcl/Tk для програмування інтерфейсу користувача, враховуючи існування наступних переваг:

- оскільки компіляція відсутня, то від редагування вихідного коду до запуску його на виконання проходить зовсім небагато часу;

- Tcl-команди реалізують інтерфейс набагато більш високого рівня у порівнянні зі стандартними засобами створення інтерфейсів користувача; для реалізації простого інтерфейсу достатньо декількох команд, в той же час можна змінити будь-яку характеристику компонента, якщо це необхідно;

інтерфейс користувача може бути відділений від решти частини прикладної програми.

Розробник має можливість зосередити всю увагу на реалізації основних функціональних можливостей програми, а потім, не витрачаючи великих зусиль, створити необхідні інтерфейсні засоби.

2. ІНФОРМАЦІЙНО-ТЕХНІЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ КІЛР З ДОСЛІДЖЕННЯ РЕАКТИВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

2.1 Інформаційно-комп'ютерне забезпечення розробки графічного блоку КІЛР

Графічний інтерфейс користувача (ГІК) -- це система засобів для взаємодії користувача з комп'ютером, яка заснована на представленні всіх доступних користувачеві системних об'єктів і функцій у вигляді графічних компонентів екрану (вікон, значків, меню, кнопок, списків і т. п.). При цьому, на відміну від інтерфейса командного рядка, користувач має вільний доступ (за допомогою клавіатури або пристрою координатного введення типу «миша») до всіх видимих екранних об'єктів.

Можна виділити наступні види ГІК:

- простий: типові екранні форми і стандартні елементи інтерфейсу, що забезпечуються самою підсистемою ГІК;

- достеменно-графічний, двовимірний: нестандартні елементи інтерфейсу і оригінальні метафори, реалізовані власними засобами додатка або сторонньою бібліотекою.

- тривимірний: на даний момент слабо класифікований.

Інтерфейс КІЛР з вивчення властивостей матеріалів повинен відповідати параметрам ергономічності та мати максимальну юзабільність, враховувати призначення програми.

Для розробки графічного блоку програми в данній роботі використовано командну мову Tcl/Tk, яка надає мені для побудови графіків компонент canvas. Canvas - це компонент загального призначення, що дозволяє відображати різні об'єкти, в тому числі лінії, дуги, овали, багатокутники, а також текст, зображення та вбудовані вікна. Для побудови графіків використовувано такі графічні примітиви, як лінія, текстовий об'єкт.

Для використання об'єкту лінія необхідно задати 2 набори координат точок. Для того,щоб змінити колір у лінії необхідно задати параметр -fill.

З компонентом canvas зв'язується система координат, початок яких розташовано в лівому верхньому куті компонента. Координата х зростає при русі вправо, а координата y - при русі вниз. Обрані координати визначають позицію й у деяких випадках розмір компонента canvas. Різні об'єкти характеризуються різними наборами координат. Наприклад, для текстового об'єкта визначаються дві координати, x1 й y1, за допомогою яких задається крапка фіксації. Лінії може відповідати чотири координати, які вказують на кінцеві крапки сегментів. Координати задаються при створенні об'єкта, а потім можуть бути змінені за допомогою операції coords (координати визначаються в пікселях). Щоб перейти від пікселей до інших одиниць виміру, треба доповнити значення координати однієї з наступних букв: с - сантиметри; і - дюйми; m - міліметри; р - пункти (1/72 дюйма). Атрибути wіdth й heіght визначають розмір відображуваної області.

Текстові об'єкти забезпечують додаткову можливість для відображення та зміни тексту. Дані об'єкти підтримують виділення та редагування, крім того, дозволяють відображати послідовність символів у вигляді кількох рядків. Розміщення текстового об'єкту задають пара координат і позиція фіксації. Розміри тексту визначаються числом рядки і довжиною кожного рядка. Якщо ширина об'єкта задана в екранних одиницях виміру, то будь-який рядок, довжина якого перевищує вказане значення, представляється перед символом пробілу.

Існує термін «віконний інтерфейс», в якому кожна програма, текст, дія, виконується в окремому вікні. Після створення асоціативної моделі або метафори інтерфейсу потрібно розробити дизайн екранних форм, деякі правила ергономіки інтерфейсу. Потрібно розробити систему інтерфейсних елементів, правило взаємодії програми і користувача. Кожний з елементів повинен мати певний колір, форму, назву, і всі разом створюють єдину систему, яка визиває у користувача працездатну і стійку програму.

Програма повинна мати властивості «розверстування» тобто, спочатку вона виконує певний набір самих необхідних функцій, а потім по мірі освоєння користувачем, починає відкривати більші можливості. Підказки програми повинні допомагати користувачеві в роботі з програмою.

Деякі правила по оформленню форм:

1. Реалізовані об'єкти подібні до реальних фізичних.

2. Форми мають бути однотипними.

3. Колір форм не повинен дратувати користувача.

4. Кнопки повинні мати однотипний вигляд.

5. Не повинно бути дратівливих рухомих об'єктів.

При реалізації інтерфейсу користувача усі компоненти Tk розташовуються у середовищі ієрархічно. Спочатку було розроблено вікно привітання користувача, яке є своєрідною оболнокою для усієї програми. Вікно вводу даних розроблено у вигляді контейнера, де є головний об'єкт під назвою frame. За його допомогою реалізовано рядок введення інформації, яка потім зберігається у змінних, і об'єкт label, що виводить мітки, назви рядка введення. Тобто підписує рядок для того,щоб користувач знав, яку інформацію потрібно вводити. Дані, які були введені у рядок при натисканні кнопки, зберігаються у змінних, які потім можемо вивести у файл. Цей файл можемо друкувати, редагувати і змінювати.

Екрана форма теоретичних відомостей виводиться після натискання кнопки в формі введення даних КІЛР. Вона складається з вікна з деяким числом кнопок,де користувач сам може обрати,яку саме інформацію він хоче переглянути. Це : мета роботи, хід роботи, контрольні запитання, теоретичні відомості. Кнопка розташована у нижній частині екранної форми. Вона дозволяє перейти до екранної форми робочого стенда.

комп'ютерний імітатор напівпровідниковий алгоритм

2.2 Інформаційно-комп'ютерне забезпечення розробки блоку обчислення

Для розробки блоку обчислення використовується пакет програмування, командну мову Tcl/Tk, яка застосовується для побудови і роботи з віконними формами.

Сам по собі інтерпретатор Tcl не обчислює значення математичних виразів. Він лише виконує групування, підстановки і виклик команд. Для розбору та обчислення значень математичних виразів використовується команда expr, що обробляє цілі числа, числа з плаваючою точкою і логічні значення.

Для визначення процедури використовували команду proc, яка має наступний синтаксис: proc ім'яПроцедури список_параметрів тіло_процедури(команди).

Перший параметр задає ім'я процедури. Воно додається до набору команд, які можуть бути виконані інтерпретатором Tcl. В імені процедури можуть міститися практично будь-які символи; регістр символу має значення. Імена процедур не конфліктують з іменами змінних. В якості другого параметра команди proc задається список параметрів процедури. Останнім параметром команди є тіло процедури. Одноразово певна команда Tcl-процедура може використовуватися так само, як і вбудована команда Tcl. При виклику процедури параметрами ставляться у відповідність передані значення і виконується тіло процедури. Результат визначає остання команда в тілі процедури. Якщо необхідно, щоб процедура повертала інше значення, треба використовувати команду return.

Для реалізації умовних виразів використовувалася команда if then else. В ній, якщо логічний вираз, що використовується в якості умови, приймає значення true, виконується перше, або основне, тіло команди, в іншому випадку виконується друга, або альтернативне, тіло команди.

3. ПРОЕКТНІ РОЗРОБКИ КОМПОНЕНТІВ ІНФОРМАЦІЙНО-ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КІЛР З ДОСЛІДЖЕННЯ РЕАКТИВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

3.1 Розробка алгоритму функціонування КІЛР

Розглядаються основні поняття про методи проектування (низхідному, висхідному, модульному, структурному) і розробки алгоритмів ( програм), тестування і верифікація алгоритму, трасування алгоритму.

Низхідним проектування алгоритмів, проектуванням алгоритмів зверху «вниз» або методом послідовної (покроковою) низхідної розробки алгоритмів називається такий метод складання алгоритмів, коли вихідне завдання (алгоритм) розбивається на ряд допоміжних піздадач (під алгоритмів), що формулюються і вирішуваних в термінах простіших і елементарних операцій (процедур). Останні, у свою чергу, знов розбиваються на простіші і елементарні, і так до тих пір, поки не дійдемо до команд виконавця. В термінах цих команд можна представити і виконати отримані на останньому кроці розбиття під алгоритми (команди системи команд виконавця).

Висхідний метод, навпаки, спираючись на деякий, заздалегідь визначуваний коректний набір під алгоритмів, будує функціонально завершені підзадачі загальнішого призначення, від них переходить до загальнішим, і так далі, до тих пір, поки не дійдемо до рівня, на якому можна записати рішення поставленої задачі. Цей метода відомий як метод проектування «від низу до верху».

Структурні принципи алгоритмізації (структурні методи алгоритмізації) - це принципи формування алгоритмів з базових структурних алгоритмічних одиниць (дотримання, галуження, повторення), використовуючи їх послідовне з'єднання або вкладення один в одного з дотриманням певних правил, що гарантують читабельність і виконання алгоритму зверху вниз і послідовно.

Структурований алгоритм - це алгоритм, представлений як дотримання і вкладення базових алгоритмічних структур. В структурованого алгоритму статичний стан ( до актуалізації алгоритму) і динамічний стан (після актуалізації) мають однакову логічну структуру, яка просліджується зверху вниз («як читається, так і виконується»). При структурованій розробці алгоритмів правильність алгоритму можна прослідити на кожному етапі його побудови і виконання

Теорема (про структуризацію). Будь-який алгоритм може бути еквівалентно представлений структурованим алгоритмом, що складається з базових алгоритмічних структур.

Одним з широко використовуваних методів проектування і розробки алгоритмів (програм) є модульний метод (модульна технологія).

Модуль - це деякий алгоритм або деякий його блок, що має конкретне найменування, по якому його можна виділити і актуалізувати. Інколи модуль називається допоміжним алгоритмом, хоча все алгоритми носять допоміжний характер. Ця назва має сенс, коли розглядається динамічний стан алгоритму;в цьому випадку можна назвати допоміжним будь-який алгоритм, використовуваний даним як блок (складовій частині) тіла цього динамічного алгоритму. Використовують і іншу назву модуля - під алгоритм. У програмуванні використовуються синоніми - процедура, підпрограма.

Властивості модулів:

- функціональна цілісність і завершеність (кожен модуль реалізує одну функцію, але реалізує добре і повністю);

- автономність і незалежність від інших модулів (незалежність роботи модуля-наступника від роботи модулья-попередника; при цьому їх зв'язок здійснюється лише на рівні передачі/прийому параметрів і управління);

- еволюціоніруємість;

- відвертість для користувачів і розробників (для модернізації і використання);

- коректність і надійність;

- заслання на тіло модуля відбувається лише по імені модуля, тобто виклик і актуалізація модуля можливі лише через його заголовок.

Властивості (переваги) модульного проектування алгоритмів:

- можливість розробки алгоритму великого об'єму (алгоритмічного комплексу) різними виконавцями;

- можливість створення і ведення бібліотеки найбільш часто використовуваних алгоритмів (під алгоритмів);

- полегшення тестування алгоритмів і обґрунтування їх правильності;

- спрощення проектування і модифікації алгоритмів;

- зменшення складності розробки (проектування) алгоритмів (або комплексів алгоритмів);

- наочність обчислювального процесу при реалізації алгоритмів.

Тестування алгоритму - це перевірка правильності або неправильності роботи алгоритму на спеціально заданих тестах або тестових прикладах - завданнях з відомими вхідними данимим і результатами (інколи достатні їх наближення). Тестовий набір має бути мінімальним і повним, тобто що забезпечує перевірку кожного окремого типа наборів вхідних даних, особливо виняткових випадків.

Тестування алгоритму не може дати повної (100%-ої) гарантії правильності алгоритму для всіх можливих наборів вхідних даних, особливо для досить складних алгоритмів.

Повну гарантію правильності алгоритму може дати опис роботи і результатів алгоритму за допомогою системи аксіом і правил виводу або верифікація алгоритму.

Для нескладних алгоритмів грамотний підбір тестів і повне тестування може дати повну картину працездатності (непрацездатності).

Трасування - це метод покрокової фіксації стану алгоритму на деякому тесті. Часто здійснюється за допомогою таблиць трасувань, в яких кожен рядок відповідає певному стану алгоритму, а стовпець - певному стану параметрів алгоритму (вхідних, вихідних і проміжних). Трасування полегшує відладку і розуміння алгоритму.

Процес пошуку і виправлення (явних або неявних) помилок в алгоритмі називається відладкою алгоритму.

Деякі (приховані, складновідстежуємі) помилки в складних програмних комплексах можуть виявитися лише в процесі їх експлуатації, на останньому етапі пошуку і виправлення помилок - етапі супроводу. На цьому етапі також уточнюють і покращують документацію, виучують персонал використанню алгоритму (програми).

Критерії, по яких алгоритми можуть бути класифіковані, бувають різними, тому пропонована нижче схема відображає основні елементи структури і в деяких випадках є умовною, в тому сенсі, що блоки приведеною на рисунку 3.1 структур можуть «перекриватися».

Рисунок 3.1 - Структура алгоритмічного забезпечення

Основні форми використання алгоритмів - автономне, бібліотечне, пакетне.

Автономний алгоритм визначається вирішуваним завданням, структурою використовуваних даних, структурою логічних зв'язків частин (модулів) алгоритму і мовою псевдокодів, на якій представлений, описаний алгоритм.

Бібліотека алгоритмів визначається безліччю завдань, що вирішуються за допомогою бібліотеки, безліччю алгоритмів для вирішення типових завдань деякої наочної області і структурою використовуваних даних.

Пакет алгоритмів, як і бібліотека, визначається безліччю завдань, що вирішуються за допомогою пакету, безліччю алгоритмів для вирішення типових завдань або їх складових частин з деякої наочної області, структурою використовуваних даних і обмінів даними між завданнями (модулями), спеціальною мовою, на якій формулюється завдання (послідовність етапів вирішуваного завдання, послідовність завдань завдання).

Алгоритм програм необхідний для програмної реалізації програми КІЛР. По алгоритму розробляється програма, мова програмування може бути різна, це залежить від розробників програм.

Поділимо всю програму на дві підпрогами:

- КІЛР, у якій будуть описані основні екрані форми. Які надають характерну основу інтерфейсу. Так само будет реалізована можливість завантаження з носія даних лабораторної роботи безпосередньо в оболонку КІЛР.

- ядро лабораторної роботи, в якому будуть описані основні математичні вирази і обчислення, що відносяться до даної лабораторної роботи, і графічна побудова лабораторного стенду.

На початку роботи програми користувачу необхідно ввести данні відносно групи користувача, П.І.Б. користувача та П.І.Б. керівника лабороторної роботи. Після цього користувач переходить до вікна методичних вказівок, де він може обрати необхідну інформацію: мета лабораторної роботи, теоретичні відомості, хід роботи та контрольні запитання. Потріба інформація відкривається після натискання відповідної кнопки. Кожен пункт представлено у окремому вікні. Після перегляду інформації можна повернутися у вікно методичних вказівок або вийти з програми. Внизу вікна «Методичні вказівки» є кнопки «Далі» та «Назад». Після натискання кнопки «Далі» користувач переходить до вікна «Робочий стенд». У цьому вікні представлена спрощена схема вимірювача,а також опис роботи пристрою. Наступне вікно- «Вхідні дані». У цьому вікні відображен термометр, є можливість вибору площі p-n-переходу,є кнопка вмикання стенда, а також таблиця початкових даних. Після того як користувач натисне на кнопку “Вімкнути стенд”, йому буде надана змога вибрати площу p-n-переходу для розрахунків. Після цього йому необхідно обрати 5 значень температури. Після йього кнопкою «Ок» значення температури додається в таблицю початкових даних. Тільки після отпримання всієї потрібної інформації від користувача буде вімкнуто кнопку “Далі”. Після натискання кнопки “Далі” користувач перейде на вікно «Результати розрахунків».

Усі результати представлені у вигляді таблиці. На цьому вікні при натисканні кнопки “Далі” буде запропоновано обрати графіки для побудови: графік вольт-фарадної характеристики або графік залежності ємності від напруги. При натисканні на відповідну кнопку буде відкриватись вікно з побудованим графіком. На цьому вікні при натисканні кнопки “Далі” буде запропоновано зберегти розраховані данні, почати розрахунки спочатку або вийти з программи.

Алгоритм у вигляді блок - схеми представлений на Додатку А.

3.2 Програмна реалізація алгоритму на алгоритмічній мові Tcl/Tk

Програмна реалізація алгоритма може бути представлена ??у вигляді модульної структури програми, її структурної моделі (з детальною структурою кожного модуля) і, нарешті, у вигляді тексту .

Програмна реалізація на мові Tcl / Tk, представляє із себе розроблений алгоритм , який реалізує оконні функції, та розрахункову частину.

Розрахункову частину було реалізовано в функціях Danie. Функція Danie реалізує розрахунок напруги та ємності для побудови графіку ВФХ. Оскільки відомі значення сили струму, то для розрахунку потрібно знати площу p-n-переходу та температури,що змінюється. Також ця функція розраховує концентрацію основних зарядів. Потім всі результати розрахунків заносяться у таблицю.

Для побудови графіків було реалізовано 2 функції: buildGraph3 та buildGraph2. Ці функції будують графіки по розрахованим даним, котрі зберігаються у масивах.

Для очищення таблиць розрахованих даних, було написано функції RefreshTable3 , які спустошують комірки таблиць.

Для збереження даних на комп'ютері була написана функція SaveFile, котра зберігає протокол з розрахованими даними до папки Save з таким ім'ям файлу, яке вказує користувач.

Для запобігання некоректного вводу даних, реалізовано функцію, котра перевіряє данні введені користувачем, і якщо ці дані некоректні, то вони просто ігноруються і не вводяться

3.3 Програмна реалізація інтерфейсу користувача.

3.3.1 Програмна реалізація стенду лабораторної роботи з дослідження реактивних властивостей напівпровідникових приладів

Інтерфейси є основою взаємодії всіх сучасних інформаційних систем. Якщо інтерфейс якого-небудь об'єкту (персонального комп'ютера, програми, функції) не змінюється (стабільний, стандартизований), це дає можливість модифікувати сам об'єкт, не перебудувавши принципи його взаємодії з іншими об'єктами.

Інтерфейс користувача - це графічне представлення програми у вигляді екранних форм зручних для користувача. Інтерфейс користувача приймають за його зовнішній вигляд користувача. Успіх програми залежить від правильного і зручного інтерфейсу користувача, являється програмою.

Наприклад, навчившись працювати з однією програмою під Windows, користувач з легкістю освоїть інші, тому, що вони мають схожий за структурою та виглядом інтерфейс. У обчислювальний системі взаємодія може здійснюватися на призначеному для користувача, програмному і апаратному рівнях.

Відповідно до цього можна виділити:

Екранні форми- це об'єкти інтерфейсу користувача,які створюються для його взаємодії з програмою і відображають подібність до фізичного об'єкту.Але це не завжди так об'єкти спрощуються при їх створенні.

Кожна екранна форма складається з вмонтованих примітивів. Якщо для інтерактивних потреб завдання не вистачає можливостей вбудованих примітивів Tk,то розробник може розширити саму tk-підсистему новими віджетами.

Для побудови інтерфейсу користувача були використані наступні примітиви:

Кнопки. Кнопки використовуються для виконання команд, при натисканні на цей елемент відбуваються дії, які для нього прописані.

Щоб створити кнопку треба зробити наступні дії: button.шлях.назва_кнопки -text «текст_кнопки» -width 20 -height 1 -command {команда1; …; командаn;}

Рисунок 3.3 - Елемент керування: кнопка

Селектори. Селектори - графічний відмет інтерфейсу користувача, подібний до перемикачів за вийнятком того,що вони створюються групами.Окремо взятий елемент часу може бути вибрана лише одна з них.

Це зручно там,де потрібно вибирати з декількох можливих взаємовиключних варіантів. Щоб створити перемикач треба зробити наступні дії: radiobutton.шлях.назва_селектора1 -text ”Заголовок_селектора1” -variable зміна -relief flat -value значення -tristatevalue ” multi” -anchor w

Рисунок 3.4 - Елемент керування: селектор

Списки. Списки - графічний відмет інтерфейсу користувача, який дозволяє вибрати значення або групу значень, для подальших дій. Скажемо,можна вибрати певний пункт із списку, і після натисненням кнопки в змінну буде не занесене певне значення, або відбудеться перехід на певну сторінку.Щоб створити список треба зробити наступні дії: set змінна {значення1 … значенняn} ttk::combobox .шлях.назва_списку -textvariable змінна -state normal -values $змінна чи listbox .шлях.назва_списку -width 20 -height 10 .шлях.назва_списку номер «значення»

Лінійки прокрутки. Лінійки прокрутки - графічний віджет інтерфейсу користувача, по ній переміщається невеликий квадратик, званий "бігунком". Перетягуючи "бігунок" мишкою (клацнувши і тримаючи), ми прокручуємо на екрані інформацію, що знаходиться у вікні. Лінійку прокрутки видно в тому випадку, якщо у вікні не поміщається вся інформація, яка знаходиться в віджету. В цьому випадку положення бігунка на лінійці прокрутки характеризує положення видимої у вікні інформації (початок інформації, середня її частина або кінець). Окрім бігунка на кінцях лінійки прокрутки (вгорі і внизу) видно кнопки з чорними трикутниками. Клацання мишки на такій кнопці дає прокрутку інформації на одну строчку вниз або вгору залежно від кнопки, що натискаємо. Окрім вертикальної лінійки прокрутки, у вікнах з'являються і горизонтальні лінійки прокрутки (рядок внизу вікна), які дають можливість переглядати інформацію справа і зліва, якщо вона виходить за рамки вікна. Щоб створити лінійку прокрутки треба зробити наступні дії: set змінна {значення1 … значенняn} ttk::combobox .шлях.назва_списку -textvariable змінна -state normal -values $змінна scrollbar .шлях.назва_лінійки -command {.шлях.назва_об'єкту тип_лінійки}

Рисунок 3.5 - Елемент керування: лінійка прокрутки

Фрейм з рамкою. За замовчанням він обрамляє межі фрейму рамкою, може також мати заголовок. Щоб створити фрейм з рамкою треба зробити наступні дії: labelframe .шлях.назва_фрейму -text "Заголовок" -relief solid -borderwidth 1

Спінбокси. Спінбокси потрібні для створення примітиву поля введення числових даних і управління ним за допомогою стрілок, розташованих праворуч. В свою чергу, вони змінюють значення на фіксований шаг. Щоб створити спінбокс треба зробити наступні дії: spinbox .шлях.назва_спінбоксу -from початкове_значення -to кінцеве_значення -relief sunken -width 10 -textvariable зміна.

Для реалізації стенду лабораторної роботи на інтерфейсі користувача було відображено, такі елементи як термометр, кнопка вмикання стенду,кнопки вибору площі p-n-переходу.

Термометр було реалізовано завдяки компоненту інтерфейсу scale. Цей компонент реалізує лінійний або повзунковий регулятор, поряд з напрямними, по яких переміщується повзунок, відображається набір числових значень. Поточним значенням є те, на яке вказує повзунок. Також є можливість самостійного ввода значення,без застосування повзунка,але це значення все одне буде відображатись на термометрі. Цей рядок пов'язаний із

Tcl-змінними температури t, t1, t2, t3, t4, які зберігають у собі температуру, що використовується для розрахунків ВФХ. У верхній частині вікна завдяки команді radiobutton, створили набір перемикачів опцій для більш зручного вибору площі p-n-переходу. Значення цього перемикача пов'язане зі змінною s11, яка потрібна нам для розрахунку ємності.

Рисунок 3.6 - Елемент форми: термометр

Вольтметр було створено аналогічним способом, завдяки компоненту інтерфейсу scale. Цей компонент реалізує лінійний або повзунковий регулятор, поряд з напрямними, по яких переміщується повзунок, відображається набір числових значень. Якщо для термометра ми обирали вертикальне положення, то для вольтметра ми обрати горизонтальне положення компонента scale. Поточним значенням є те, на яке вказує повзунок. Також є можливість самостійного ввода значення,без застосування повзунка,але це значення все одне буде відображатись на вольтметрі . Цей рядок пов'язаний із Tcl-змінними напруги u, u1, u2, u3, u4, які зберігають у собі напругу.



Рисунок 3.7 - Елемент форми: вольтметр

3.3.2 Програмна реалізація вікна виводу отриманих результатів

Для виводу отриманих результатів на стенді лабораторної роботи було відображено таблицю, яка побудована елементами label,ці елементи пов'язані з змінними, які зберігають у собі розраховані дані. Для оновлення даних була розроблена функція RefreshTable3.Ця функція перевіряє, котрий елемент зараз розраховується і відображує у таблиці данні, котрі розраховані на даний момент для цього елементу.

Для відображення графіку використовуємо елемент canvas, який дозволяє в інтерактивному режимі будувати графіки за розрахованими даними. Функції, котрі відповідають за побудову графіків на цьому компоненті, мають назву buildGraph3 та buildGraph2.

3.3.3 Програмна реалізація збереження отриманих результатів

Для збереження отриманих результатів була розроблена функція SaveFile.

Вона дозволяє зберігати результати розрахунків та введені дані до протоколу.

Назву файлу користувач може обрати самостійно.У протоколі,окрім розрахованих даних, зберігається також інформація про студента: П.І.Б., група, керівник роботи та дата проведення лабораторної роботи.

3.4 Методика та результати тестування розробленої програми КІЛР з дослідження параметрів і характеристик фоторезисторів

Тестування - перевірка роботи програми за результатами її виконання на спеціально підібраних наборах вихідних даних або тестах.

Існують наступні методи тестування:

-повне

-вибіркове

-структурне вибіркове

Структурне вибіркове грунтується на розділенні простору вихідних даних на класи. Кожен клас дозволяє підтвердити визначений властивості або працездатність окремих елементів структури програми.

...