Примерная программа дисциплины физика твердого тела



Скачать 181.9 Kb.
Дата09.10.2012
Размер181.9 Kb.
ТипПримерная программа

минИстерство образования российской федерации







УТВЕРЖДАЮ

Руководитель Департамента

образовательных программ и стандартов

профессионального образования

_______________ Л.С.Гребнев

«____»______________ 2001 г.



примерная программа дисциплины




ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА



Рекомендуется Минобразованием России

для специальности 200100 Микроэлектроника и твердотельная электроника


направления подготовки дипломированных специалистов

654100 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА


1. Цели и задачи дисциплины.

Цель преподавания дисциплины состоит в формировании систематических знаний фундаментальных принципов, определяющих структуру твердых тел, и в первую очередь – кристаллов, а также в изучении явлений и процессов в твердых телах, использующихся при разработке приборов твердотельной электроники.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

а) знать фундаментальные физические закономерности, определяющие свойства твердых тел;

б) уметь проводить оценочные расчеты физических характеристик твердотельных материалов;

в) иметь представление о современном состоянии и методах исследований в области физики твердого тела.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.



Виды учебной работы

Всего часов
Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

250

7

8







Аудиторные занятия

153

7

8






Лекции

102

7

8







Практические занятия (ПЗ)

34

7

8







Лабораторные работы (ЛР)

17

7










Самостоятельная работа

97













Курсовой проект

30




8







Виды итогового контроля:

зачет




7










экзамен




7

8








4. Содержание дисциплины

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.


№ п/п

Раздел дисциплины


Лекции

ПЗ (или С)

ЛР
1
Введение

*







2

Структура и симметрия кристаллов


*


*




3

Тензорное описание физических свойств кристаллов


*


*




4

Электронные состояния в кристаллах


*


*


*

5

Классификация твердых тел. Энергия связи


*







6

Зонная структура полупроводников


*


*




7

Колебания кристаллической решетки. Фононы


*







8

Дефекты в кристаллах

*

*




9

Статистика электронов и дырок в полупроводниках


*


*


*

10

Кинетические явления в полупроводниках и металлах.


*


*


*

11

Оптические свойства кристаллов

*

*

*

12

Неравновесные электронные процессы в полупроводниках


*


*


*

13

Свойства диэлектриков

*

*

*

14

Некристаллические твердые тела

*







15

Магнитные свойства кристаллов

*

*

*

16

Сверхпроводимость

*








4.2. Содержание разделов дисциплины.

4.2.1. Введение.

Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы исторического развития физики твердого тела. Связь дисциплины с другими разделами физики.

4.2.2. Структура и симметрия кристаллов.

Кристаллические вещества. Точечная симметрия кристаллов. Основные векторы трансляции. Произвольный вектор трансляции. Решетки Браве. Элементарная ячейка. Объем элементарной ячейки. Ячейка Вигнера-Зейтца.

Точечная симметрия кристаллов. Элементы симметрии: поворотные оси, плоскости отражения, зеркально-поворотные оси, инверсия. Понятие группы симметрии.

Точечная симметрия решеток Браве. Сингонии. Структура реальных кристаллов. Число атомов в элементарной ячейке. Кристаллографические направления и плоскости. Индексы Миллера.

Группа симметрии направлений. Кристаллографические классы. Полная пространственная группа кристалла.

Функции периодические с периодом решетки и их представление в виде рядов Фурье. Обратная решетка и векторы обратной решетки. Межплоскостные расстояния. Рассеяние рентгеновских волн кристаллической решеткой. Закон Брега. Элементарная ячейка обратной решетки. Зона Бриллюэна.

4.2.3. Тензорное описание физических свойств кристаллов.

Материальные тензоры, описывающие макроскопические физические свойства кристаллов. Кристаллофизическая система координат. Симметрия кристаллов и число независимых компонент материальных тензоров.

Тензор напряжений и тензор деформаций. Упругие свойства кристаллов. Тензор упругости. Тензоры проводимости и диэлектрической проницаемости кристаллов. Оптические изотропные, одноосные и двуосные кристаллы. Пьезоэффект в кристаллах. Пьезоэлектрические коэффициенты. Эффект Холла в кристаллах. Упругооптические и электрооптические свойства кристаллов.

4.2.4. Электронные состояния в кристаллах.

Электрон в периодическом потенциальном поле. Одноэлектронное приближение. Волновые функции Блоха. Зона Бриллюэна. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Волновой вектор, импульс, скорость и эффективная масса электрона.

Число и плотность состояний в энергетической зоне. Адиабатическое приближение. Особенности Ван-Хова. Энергетические зоны в модели "пустой" решетки. Приближение почти свободных электронов. Поведение энергетического спектра вблизи границы зоны Бриллюэна. Приближение сильной связи.

Спектр электронов в структурах с квантово-размерными эффектами.

Многоэлектронные эффекты. Квазичастицы. Поляроны. Плазмоны. Экситоны.

4.2.5. Классификация твердых тел. Энергия связи.

Характер заполнения энергетических зон. Электроны и дырки. Диэлектрики, полупроводники, металлы. Типы химических связей. Металлические, ионные, ковалентные, молекулярные кристаллы. Характеристика энергетических зон, распределение электронной плотности. Потенциалы межатомного взаимодействия. Ионные, ковалентные и атомные радиусы и пределы их применимости. Энергия связи кристаллической решетки.

4.2.6. Зонная структура полупроводников.

Кубические полупроводники. Зона Бриллюэна в кубических полупроводниках.

Схема построения энергетических зон кубических полупроводников. Характер поведения энергетического спектра вблизи экстремумов зон. Эффективная масса электронов и дырок в полупроводниках. Изоэнергетические поверхности.

4.2.7. Колебания кристаллической решетки. Фононы.

Гармонические колебания кристаллической решетки. Динамическая матрица. Нормальные моды. Спектр колебаний кристаллической решетки. Акустические и оптические колебания.

Квантовая теория колебаний кристаллической решетки. Фононы. Энергия и импульс фонона. Статистика фононов. Плотность фононных состояний. Теплоемкость кристаллической решетки, температура Дебая. Ангармонизм колебаний. Тепловое расширение твердых тел.

4.2.8. Дефекты в кристаллах.

Классификация дефектов. Точечные дефекты. Собственные дефекты и примеси. Протяженные дефекты: дислокации, поверхности.

Влияние точечных дефектов на электронный и колебательный спектр кристалла. Локальные состояния. Мелкие и глубокие уровни в запрещенной зоне.

Водородоподобная модель мелкого примесного центра. Приближение эффективной массы. Доноры и акцепторы в кубических полупроводниках.

4.2.9. Статистика электронов и дырок в полупроводниках.

Невырожденные и вырожденные полупроводники. Уровень Ферми, концентрация электронов и дырок. Собственные полупроводники, собственная концентрация свободных носителей заряда.

Статистика заполнения локальных уровней. Уравнение электронейтральности. Частные случаи решения уравнения электронейтральности: некомпенсированные и компенсированные полупроводники. Многозарядные примесные центры.

4.2.10. Кинетические явления в полупроводниках и металлах.

Квазиклассическая динамика свободных носителей заряда в электрическом и магнитном полях.

Функция распределения. Кинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации.

Рассеяние носителей заряда в металлах и полупроводниках. Основные механизмы рассеяния. Рассеяние на колебаниях кристаллической решетки: деформационный потенциал и пьезоэлектрическое рассеяние, полярное оптическое рассеяние. Рассеяние на ионизованных и нейтральных примесях. Междолинное рассеяние.

Подвижность свободных носителей заряда. Электропроводность. Диффузия носителей заряда. Термоэлектрические эффекты. Эффект Холла, магнитосопротивление. Кинетические явления в многодолинной модели.

4.2.11. Оптические свойства кристаллов.

Оптические константы вещества. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Комплексный показатель преломления. Соотношения Крамерса-Кронига.

Межзонные электронные переходы. Собственное оптическое поглощение, край собственного поглощения. Экситонные эффекты.

Поглощение на свободных носителях заряда, плазменные эффекты. Поглощение света в примесной области спектра.

Люминесценция. Механизмы излучательной рекомбинации. Фотоэлектрические эффекты. Оптическое поглощение на колебаниях кристаллической решетки. Однофононные и многофононные процессы.

Магнитооптический и электрооптический эффекты.

4.2.12. Неравновесные электронные процессы в полупроводниках.

Генерация и рекомбинация носителей заряда. Неравновесные носители заряда. Время жизни. Неравновесная функция распределения, квазиуровни Ферми. Уравнение непрерывности. Диффузионная длина.

Механизмы рекомбинации. Рекомбинация зона-зона. Рекомбинация с участием уровней в запрещенной зоне, модель Шокли-Рида.

4.2.13. Свойства диэлектриков.

Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации, электрическое поле в диэлектрике. Основные механизмы поляризации диэлектриков. Микроскопическая теория поляризации. Локальное электрическое поле. Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость. Электронная, ионная, дипольная поляризация.

Сегнетоэлектрики. Спонтанная поляризация, сегнетоэлектрический фазовый переход. Доменная структура, гистерезис.

Поляризация в переменных электрических полях. Комплексная диэлектрическая проницаемость, механизмы диэлектрических потерь.

Механизмы электропроводности диэлектриков. Электропроводность в тонких диэлектрических пленках.

4.2.14. Некристаллические твердые тела.

Неупорядоченные системы. Ближний и дальний порядок. Энергетические состояния электронов в неупорядоченных твердых телах. Плотность состояний. Локализация Андерсона. Переход Андерсона. Порог подвижности.

Слабо неупорядоченные системы. Твердые растворы полупроводников. Зависимость зонной структуры от состава твердого раствора. Сильнолегированные полупроводники. Хвосты плотности состояний.

4.2.15. Магнитные свойства кристаллов.

Магнитные моменты атомов. Диамагнетики, парамагнетики. Намагниченность, магнитная проницаемость.

Магнитное упорядочение. Спонтанная намагниченность. Обменное взаимодействие. Спиновые волны. Ферроманетики, антиферромагнетики, ферримагнетики. Доменная структура, механизмы намагничивания, гистерезис.

Магнитные резонансы.

4.2.16. Сверхпроводимость.

Критическая температура. Незатухающие токи. Эффект Мейснера. Критическое поле. Изотопический эффект.

Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электрон-фононное взаимодействие. Энергетическая щель. Эффект Джозефсона.

Сверхпроводники I и II рода. Высокотемпературные сверхпроводники.
5.1. Лабораторный практикум.


№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1

4.2.4.

Моделирование зонной структуры одномерного кристалла в приближении слабо связанных электронов

2

4.2.9.

Моделирование температурной зависимости положения уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках

3

4.2.10.

Гальваномагнитный эффект в полупроводниках

4

4.2.11.

Исследование собственного оптического поглощения полупроводников

5

4.2.11.

Исследование спектров люминесценции полупроводников

6

4.2.12.

Исследование собственной и примесной фотопроводимости полупроводников

7

4.2.13.

Исследование электрооптического эффекта в диэлектрических кристаллах

8

4.2.15.

Исследование кривой магнитной индукции и петли гистерезиса ферромагнетиков


5.2. Перечень практических занятий.

№ п/п

№ раздела дисциплины

Темы практических занятий

1

4.2.2.

Трансляционная и точечная симметрия кристаллов. Преобразования симметрии. Прямая и обратная решетки.

2

4.2.3.

Закон преобразования компонент тензоров. Определение числа независимых компонент материальных тензоров.

3

4.2.4.

Зонная структура твердых тел. Эффективная масса электрона.

4

4.2.6.

Зона Бриллюэна кубических полупроводников. Спектров электронов и дырок в направлениях и точках высокой симметрии.

5

4.2.8.

Приближение эффективной массы. Водородоподобная модель мелкого примесного центра.

6

4.2.9.

Расчет температурной зависимости концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках.

7

4.2.10.

Определение тепловой и дрейфовой скорости электрона в полупроводниках. Расчет собственной и примесной проводимости.

8

4.2.11.

Расчет оптических характеристик кристаллов, с помощью соотношений Крамерса-Кронига. Расчет коэффициентов отражения и пропускания.

9

4.2.12.

Расчет коэффициента диффузии, длины свободного пробега и времени жизни неосновных носителей заряда.

10

4.2.13.

Расчет диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

11

4.2.15.

Расчет характеристик магнитных материалов.


6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

6.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

Павлов П. В. Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1995.

Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Блейкмор Дж. Физика твердого тела. – М.: Мир, 1988.

Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела (т. 1, 2). – М.: Мир, 1979.

Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1978.

Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. – М.: Наука, 1977.

б) дополнительная литература:

Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников. – М.: Наука, 1987.

Мотт И., Девис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах (т. 1, 2). – М.: Мир, 1982.

Смит Р. Полупроводники. – М., Мир, 1982.
7. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.

Дисциплина «Физика твердого тела» является базовой при подготовке инженеров по данной специальности и опирается на знания, полученные при изучении дисциплин «Статистическая физика» и «Квантовая механика».

Выполнение курсовых работ целесообразно проводить в восьмом семестре. При разработке курсовых заданий желательно включить следующие темы:

  1. Симметрия и тензорное описание физических свойств кристаллов;

  2. Зонная структура и примесные состояния в полупроводниках;

  3. Оптическое поглощение в полупроводниках;

  4. Расчет концентрации свободных носителей заряда и удельной проводимости полупроводников.

Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать:

    1. краткие теоретические сведения о рассматриваемом вопросе или явлении;

    2. расчетную часть (желательно выполненную с использованием ЭВМ);

    3. критическую оценку результатов.


Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654100 – «Электроника и микроэлектроника».
Программу составили:
Г.Ф. Глинский - профессор, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ".

А. А. Блистанов - профессор Московского института стали и сплавов.

В. Ю. Водзинский - доцент Нижегородского государственного технического университета
Программа одобрена на заседании учебно-методического совета по специальности 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» 15 ноября 2000 г., протокол № 18.


Председатель Совета УМО по образованию

в области автоматики, электроники, микро-

электроники и радиотехники Пузанков Д.В.

Похожие:

Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconПрограмма дисциплины дпп. В. 03 «Физика твердого тела» Специальность 032200. 21 Физика с дополнительной специальностью математика
Цель изучения дисциплины "Физика твердого тела" заключается в ознакомлении студентов со структурой и физическими процессами, которые...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconПрограмма дисциплины «Физика твердого тела»
Цель курса изложить теоретические основы физики твердого тела с уклоном на физические свойства и процессы, протекающие в полупроводниковых...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconПримерная программа дисциплины физика конденсированных сред
Научить анализировать свойства и взаимодействия дефектов кристаллов и количественно оценивать их участие в превращениях и деформации...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconПрограмма дисциплины «теория представлений групп в физике твердого тела»
Углубленное изучение теории представлений групп применительно к задачам квантовой теории твердого тела. Спецкурс базируется на следующих...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconА. В. Ширшова физика твердого тела
А. В. Ширшова. Физика твердого тела. Учебно-методический комплекс. Предназначен для студентов одо специальности 070700 теплофизика....
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconЧто такое физика твердого тела?
Наука о строении твердых тел – физика твердого тела (фтт), несмотря на свою давнюю историю, испытывает новый подъем. Об интенсивности...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconРабочая учебная программа дисциплины Физика твердого тела
Профиль подготовки Химическая технология материалов и изделий электроники и наноэлектроники
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconПрограмма «Физика твердого тела и фотоника»
Целью программы является подготовка специалистов в области физики конденсированного состояния вещества, включающей физику твердого...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconРабочей программы учебной дисциплины «Ядерная физика твердого тела»
Целью изучения дисциплины является получение фундаментальных знаний по основным явлениям и экспериментальным методам ядерной физики...
Примерная программа дисциплины физика твердого тела iconУчебная программа Дисциплины р11 «Физика твердого тела» по направлению 011800 «Радиофизика» Нижний Новгород 2011 г
Цель курса сформировать у студентов современное представление об основных физических процессах в твердых телах. Рассматриваются процессы,...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org