Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика твердого тела Направление подготовки - umotnas.ru o_O
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика твердого тела Направление подготовки - umotnas.ru o_O
|
страница 1
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Похожие работы
|
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика твердого тела Направление подготовки - страница №1/1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» Факультет неорганической химии и технологии Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика твердого тела Направление подготовки 210100 Электроника и микроэлектроника Специальность Твердотельная электроника и микроэлектроника Квалификация (степень) Бакалавр, инженер Форма обучения очная Составитель д.х.н., профессор В.В. Рыбкин Иваново, 2011 Целями освоения дисциплины являются изучение физики твердого тела и его основные свойства, определяемые его структурой. В системе подготовки бакалавра по направлению "Электроника и микроэлектроника" данная дисциплина является одной из фундаментальных, поскольку на свойствах конденсированного состояния вещества базируется как разработка новых типов изделий, так и технология их изготовления. В результате освоения дисциплины обучающийся должен: знать: основные сведения о структуре кристаллов, основные постулаты и положения квантовой теории; туннельный эффект; строение атома и связь с периодической таблицей элементов Менделеева; - классификацию твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории; основные электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел, механизмы протекания тока; особенности электронных свойств неупорядоченных и аморфных материалов; основы физики твердого тела; физические основы технологии производства изделий электроники уметь: оценивать пределы применимости классического подхода, роль и важность квантовых эффектов при описании физических процессов; оценивать физические параметры материалов (проводимость, диэлектрические и магнитные свойства, термодинамические функции, дефектообразование) по экспериментальным данным владеть: методами квантово-механического описания простейших квантовых систем, входящих в состав элементов электроники, способами расчетов проводимости, диэлектрических и магнитных свойств, теплоемкости Структура дисциплины Физика твердого тела Общая трудоемкость дисциплины составляет 252 часа.
Содержание дисциплины Содержание разделов дисциплины Модуль 1. Структура и симметрия твердых тел. Строение кристаллических твердых тел: элементы точечной и трансляционной симметрии; базис, кристаллические классы, сингонии и решетки Бравэ. Простые и сложные решетки, стехиометрические соотношения. Координационные числа. Обозначения плоскостей и направлений, индексы Миллера. Обратная решетка. Анизотропия и симметрия физических свойств, тензорное описание. Методы определения строения кристаллов. Модуль 2. Несовершенства в кристаллах. Общая классификация дефектов. Классическая и квантовая теории колебаний решетки; упругие свойства кристаллов. Упругие волны. Частотный спектр. Тепловые колебания, фононы, тепловая энергия, термодинамические функции твердых тел. Теплоемкости по Эйнштейну, Дебаю, закон Дюлонга-Пти. Термодинамика образования точечных дефектов. Дефекты по Шоттки и Френкелю. Равновесная концентрация дефектов. Модуль 3. Квантовая механика электронов в твердых телах. Электронные состояния в идеальном кристалле. Модель свободных электронов. Уравнение Шредингера, волновые функции, уровни энергии и их заполнение, уровень Ферми при 0 К, функция распределения энергетических состояний по энергии, вероятность заполнения энергетических уровней (функция распределения Ферми-Дирака), функция распределения электронов по энергиям. Теплоемкость вырожденного электронного газа. Зонная теория твердых тел. Зоны Бриллюэна. Соотнесение зонной модели и модели свободных электронов. Туннельный эффект. Распределение электронов по зонам. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Эффективная масса электрона. Дырки. Влияние дефектов на зонную структуру полупроводников. Примесные полупроводники. Температурная зависимость концентраций носителей зарядов. Модуль 4. Кинетические явления в металлах и полупроводниках. Электропроводность металлов, время релаксации, Уравнение Больцмана. Электропроводность собственных и примесных полупроводников, температурная зависимость. Механизмы рассеяния носителей заряда. Диффузия и дрейф носителей заряда. Контактные явления. Явления переноса и кинетические эффекты. Продольные и поперечные эффекты. Сверхпроводимость, параметры сверхпроводников, сверхпроводники 1 и 2-го рода, вихри Абрикосова, квантование магнитного потока, Куперовская пара, длина корреляции. Модуль 5. Диэлектрические и магнитные свойства веществ. Свойства диэлектриков в статических полях. Виды поляризации. Диэлектрическая восприимчивость. Эффективное поле и наведенная поляризация. Ориентация диполей. Электрострикция и пьезоэлектричество. Спонтанная поляризация, пиро и сегнетоэлектрики. Доменная структура. Диэлектрики в переменных электрических полях Виды диэлектрических потерь. Физическая природа диа- и парамагнетизма. Основные определения. Температурная зависимость магнитной восприимчивости. Природа постоянных магнитных моментов. Физическая природа ферромагнетизма, спиновые волны, магноны, доменная структура. Ферримагнетизм и антиферромагнетизм. Модуль 6. Оптические свойства кристаллов. Фотопроводимость. Излучательная рекомбинация. Оптоэлектрические явления. Закономерности поглощения и излучения света твердыми телами. Неравновесные носители заряда, механизмы рекомбинации, время жизни. Центры окраски, люминесценция, фотопроводимость. Акустические свойства кристаллов. - нахождение элементов симметрии решетки; - определение типа решетки, определение базиса, сингонии, нахождение стехиометрических соотношений, координационных чисел ; - расчеты плотностей кристаллов по параметрам решетки и обратные задачи; - определение индексов Миллера для плоскостей и направлений; - расчеты межплоскостных расстояний и углов и плотностей упаковки. Модуль 2. Тематика практических занятий. Трудоемкость 12 час. - определение температурных областей применимости приближений Дебая, Эйнштейна; - расчеты термодинамических функций и теплоемкостей по Дебаю и Эйнштейну; - расчеты равновесных концентраций дефектов Шоттки и Френкеля; - анализ влияния дефектообразования на изменения термодинамических функций; - расчеты положения уровня Ферми для различных материалов и обратные задачи; -расчеты электронной составляющей теплоемкости и других параметров вырожденного электронного газа (вероятностей заполнения уровней); - определение концентраций носителей зарядов в зонах при различных температурах для полупроводников n-p типа, содержащих различные примеси; - определение температурных интервалов изменений концентраций носителей зарядов. При рассмотрении новой темы, формулировке положений, на которых она строится, проводится краткая дискуссия (~5 мин.) с обсуждением справедливости этих положений и их ограничений. Лекция завершается обсуждением вопросов, возникших в ее ходе (~3 мин.) Проведение практических занятий строятся следующим образом. 1. Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
Завершает модуль контрольная работа, которая включает тест (10 вопросов) и три задачи с повышающейся степенью сложности. Суммарная оценка складывается по максимуму: 40% -тест, 1-задача – 10%, 2-я задача – 20% и 3-я -30%. Модуль зачитывается, если в сумме студент выполняет не менее 60% задания. В противном случае контрольная работа переписывается в дополнительное время со снижением набранного балла на 10% за каждое повторное переписывание. Аналогичное снижение предусмотрено для студентов, пропустивших контрольную работу. Предусмотрено от 4 до 6 вариантов одной контрольной работы. По модулю 3 проводится две контрольных работы. Желающие повысить свой рейтинг получают дополнительные задания. Суммарный рейтинговый балл складывается из результатов всех форм контроля. При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине используются следующие ее формы:
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Всего по текущей работе студент может набрать 50 баллов, в том числе: - практические занятия – 8 баллов; - контрольные работы по каждому модулю – всего 35 баллов; - домашнее задание или реферат – 7 баллов. Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет половину от максимального. Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в перечисленных ниже учебных пособиях:
Примерные темы рефератов: 1. Органические полупроводники 2. Дифракционные методы исследования строения кристаллов. 3. Влияние границы раздела монокристалла на структуру зон на поверхности. 4. Адсорбция как способ управления физическими свойствами поверхности 5. Высокотемпературные сверхпроводимость. 6. Метод МО ЛКАО в описании зонной структуры. Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 10 заданий по каждому модулю. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Примеры контрольных тестов по каждому модулю приведен ниже. Варианты тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов Модуль 1
А) 1-го порядка Б) 2-го порядка В) 5-го порядка г) 6-того порядка. 2. Для задания трансляционной группы надо указать А) количество осей симметрии Б) плоскости симметрии В) базисные вектора трансляций 3) Какие из указанных элементов относятся к точечной группе симметрии А) оси симметрии Б) центр инверсии В) вектора трансляций Г) плоскости симметрии 4) Базис характеризует А) точечную группу симметрии Б) трансляционную группу В) точечную и трансляционную группу 5) Сколько дополнительных векторов трансляций надо задать для описания гранецентрированной решетки А) ни одного Б) три В) два 6) Может ли вектор трансляции соединять две разнотипных частицы? А) Да Б) Нет 7) Число структурных единиц характеризует элементарную ячейку А) любую Б) простых веществ В) химических соединений 8. В каких из указанных сингоний система координат не является ортогональной А) кубическая Б) тригональная В) тетрагональная Г) гексагональная 9. Индексы Миллера плоскости определяют А) семейство эквивалентных по симметрии плоскостей Б) семейство параллельных плоскостей В) конкретную плоскость 10. Какая из указанных плоскостей параллельна одной из координатных осей А) (111) Б) (121) В) (100) Г(110) 1. Какие из указанных дефектов относятся к точечным а) дефект Шоттки б) краевая дислокация двойник в) атом в междуузлии 2. Дефект Френкеля это а) частица в междуузлии и вакансия ) частица в междуузлии б) вакансия 3. Дисперсионные соотношения связывают между собой а) скорость распространения волны и ее фазу б) частоту и фазовую скорость в) частоту и длину волны 4. Причиной дискретности спектра колебаний частиц решетки является а) квантово-механический характер движения частиц б) наличие трансляционной симметрии в) конечность массы частиц 5. Теория Эйнштейна не учитывает а) колебательного движения частиц б) наличие частиц разного сорта в) наличие спектра частот колебаний 6. При температурах много меньших температуры Дебая для расчета теплоемкости надо использовать а) теорию Эйнштейна б) теорию Дебая в) соотношение Дюлонга –Пти 7. В каких направления в кристалле тетрагональной сингонии типа Р (а=в>с) спектры частот будут одинаковы а) [100], [010] б) [100], [010], [001] в) [100], [001] г) [010], [110] 8) Фонон это а) квант энергии света б) квант энергии теплового движения в) квант энергии электрона 9) При образовании точечных дефектов энтропия меняется из-за а) роста амплитуды тепловых колебаний б) образования вакансий в) появления частиц в междуузлиях 10) Термодинамическая вероятность системы простого кристалла, в котором образуются дефекты Шоттки это а) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество вакансий б) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество частиц в междуузлиях в) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество частиц в междуузлиях и вакансий 1. Квантово-механическое описание следует использовать в случае а) когда длина волны частицы много больше размеров области, в которой она движется б) когда длина волны частицы соизмерима с размерами пространства, в которой она движется 2. Произведение нормированной волновой функции на комплексно-сопряженную ей определяет а) плотность вероятности обнаружения частицы в данной точке б) вероятность обнаружения частицы в данной точке в) координаты частицы 3. Степень вырождения это а) число энергетических состояний с разной энергией, но одинаковыми волновыми функциями б) число энергетических состояний с одной энергией, но разными волновыми функциями в) число энергетических состояний с одной энергией и одинаковыми волновыми функциями 4. Квантованность уровней энергии является следствием а) волновой природы электрона и ограничения области его движения б) волновой природы электрона в) ограничения области его движения 5. Энергия уровня Ферми зависит а) только концентрации электронов б) только от температуры в) от концентрации и от температуры. 6. Электронный газ подчиняется закону Ферми-Дирака если а) kT>> энергии уровня Ферми б) kT 7. Функция распределения энергетических состояний по энергиям это а) плотность состояний в пространстве энергий б) число энергетических состояний, приходящихся на интервал энергии dE в) число энергетических состояний, лежащих в интервале энергии от E до E+dE 8. Если F(E) – функция распределения электронов по энергиям, интеграл дает а) концентрацию электронов, с энергией от 0 до б) среднюю энергию электронов с энергией от 0 до в) полную энергию электронов с энергией от 0 до 9) Укажите комбинацию индексов, для которых для примитивной решетки проводимость будет одинакова а) [111], [100], [110] в) [111], [100], [101] г) [001], [100], [010] д) [110], [101], [011] 10) При самых низких температурах основной вклад в теплоемкость металлов вносит: а) фононная составляющая б) электронная составляющая А) положительной Б) отрицательной В) равной нулю Г) бесконечно большой 2. В проводимости полупроводника участвуют А) электроны Б) дырки В) ионизованные доноры Г) ионизованные акцепторы 3. Элементы третьей группы для кремния будут являться А) донорами Б) акцепторами 4. В собственном германии будет преобладать проводимость А) электронная Б) дырочная 5) Известно, что в полупроводнике концентрации электронов и дырок равны. Можно ли утверждать, что этот полупроводник является собственным? А) да Б) нет 6) У диэлектрика и собственного полупроводника зонная структура отличается А) наличием примесных уровней в запрещенной зоне Б) шириной запрещенной зоны 7) Какой из отмеченных собственных полупроводников при 300 К имеет большую проводимость А) кремний Б) германий В) арсенид галлия 8) Имеется два образца кремния. Один легирован бором, другой алюминием. Концентрации примеси одинаковы. Большую температуру истощения примеси имеет образец А) легированный бором Б) легированный алюминием 9) Зависит ли ширина запрещенной зоны от кристаллографической направления ? А) да Б) нет 10) Электроно-дырочный газ в невырожденном полупроводнике подчиняется статистике А) Максвелла-Больцмана Б) Ферми-Дирака В) Бозе-Эйнштейна Модуль 4 1. Характеристиками сверхпроводников являются А) критический ток и температура Б) Критические ток и напряженность магнитного поля в) Критические ток, температура и напряженность магнитного поля 2. Сверхпроводники первого и второго рода отличаются по А) поведению в магнитном поле Б) поведению в переменном электрическом поле В) по поведению в электрическом и магнитном полях 3. Куперовская пара это А) два связанных фонона Б) два связанных магнона В) два связанных электрона 4. По своим магнитным свойствам сверхпроводники относятся к А) антиферромагнетикам Б) Ферритам Г) Парамагнетикам Г) Диамагнетикам 5. Вихри Абрикосова имеют место в А) сверхпроводниках 1-го рода Б) сверхпроводниках 2-го рода в) сверхпроводниках 1-го и 2- го рода 6. Температурная зависимость проводимости полупроводников в области примесной проводимости определяется в основном А) шириной запрещенной зоны Б) энергией ионизации примеси В) механизмом рассеяния носителей зарядов 7. Механизмом рассеяния носителей зарядов при падающей зависимости проводимости от температуры является А) рассеяние на ионизованных примесях Б) рассеяние на фононах 8) Проводимость металлов зависит от А) эффективной массы электрона Б) частоты столкновений электронов друг с другом В) частоты столкновений электронов с частицами решетки 9) Проводимость с ростом температуры падает у А) полупроводников в области собственной проводимости Б) диэлектриков В) металлов 10) Температурная зависимость проводимости полупроводников в области собственной проводимости определяется в основном А) шириной запрещенной зоны Б) энергией ионизации примеси В) механизмом рассеяния носителей зарядов 1. Какой из видов поляризации является самым медленным А) электронная Б) ионная в) дипольная 2. Какой из видов поляризации наиболее сильно зависит от температуры А) электронная Б) ионная в) дипольная 3. Нагрев диэлектриков в переменном поле связан с А) протеканием токов проводимости Б) с наличием замедленных видов поляризации 4. Все ли вещества обладают диамагнитными свойствами А) да Б) нет 5. Магнитная криталлическая структура феррита состоит из структур А) ферромагнетика и антиферромагнетика Б) ферромагнетика и парамагнетика Г) пара и диамагнетика 6. Магнон это А) квант световой энергии Б) квант тепловой энергии решетки В) квант энергии спиновой волны 7. Ферромагнетизм преимущественно обусловлен А) орбитальным моментом валентных электронов Б) Спиновыми моментами электронов в зоне В) орбитальными моментами и спиновыми моментами электронов в зоне 8. Все ли вещества обладают магнитными свойствами А) Да Б) все, за исключение парамагнетиков Г) все, за исключением ферритов и ферромагнетиков 9. Является ли отсутствие спонтанной намагниченности доказательством того, что вещество не является ферромагнетиком А) ДА Б) НЕТ 10. Какие из указанных классов могут иметь доменную структуру А) Ферримагнетики Б) Парамагнетикам В) Диамагнетики Г) Сегнетоэлектрики
А) ширины запрещенной зоны Б) энергии ионизации доноров В) концентрации электронов 2. Положение примесных полос поглощения в спектре позволяет определить А) ширину запрещенной зоны Б) энергии ионизации доноров и акцепторов В) положение уровня Ферми 3. Какой из механизмов рекомбинации является наиболее вероятным А) межзонный Б) с участием рекомбинационных ловушек. 4. Может ли энергия, выделяющаяся при рекомбинации носителей заряда, превышать ширину запрещенной зоны А) да Б) нет 5. Экситон это А) пара электрон-дырка в зоне проводимости Б) пара электрон-дырка в валентной зоне 6. Полосы экситонного поглощения лежат А) в области полосы собственного поглощения Б) в области полос примесного поглощения 7. Электронное поглощение существенно для А) металлов Б) полупроводников В) диэлектриков 8. Для полупроводников фотоактивными являются переходы А) зона-зона Б) уровень примеси – зона В) между двумя примесными уровнями 9. Люминесценция ионных кристаллов обусловлена А) энергией рекомбинации носителей заряда Б) энергией возбуждения примесных атомов 10. Центры окраски (F-центры) могут появляться у кристаллов А) простых веществ Б) бинарных химических соединений В) тройных химических соединений Итоговый экзамен по дисциплине проводится в две ступени: Тестовый экзамен включает 32 закрытых задания, которые тестирующая программа случайным образом выбирает из 60 заданий. Каждое задание оценивается в 1 балл. Студент должен набрать не менее 26 баллов – оценка «удовлетворительно»; - письменный экзамен, который проводится по вопросам, приводимым ниже. Экзаменационный билет включает теоретический вопрос из приводимого ниже перечня и задачу. Студент на письменном экзамене может набрать до 18 баллов. Результат экзамена (максимум 50 баллов) определяется как сумма тестовой и письменной частей. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
31. Окраска кристаллов. Центры окраски 32. Неравновесные носители и их основные характеристики 33. Механизмы поглощения света кристаллами. Спектр поглощения. Экситоны. Фотоэффект. 34. Люминесценция, ее механизм 35. Сверхпроводимость. Физические явления, сопровождающие сверхпроводимость. Основные характеристики сверхпроводников. 36. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода 37. Критические параметры сверхпроводников 38. Физические причины возникновения сверхпроводимости 39. Макроскопические характеристики магнитных свойств 40. Природа магнитных моментов атомов 41. Физическая природа диамагнетизма 42.Физическая природа парамагнетизма 43. Ферромагнетики. Основные характеристики 44. Физическая природа ферромагнетизма. Спиновые волны. 45. Ферримагнетики. Кристаллическая структура, свойства. 46. Антиферромагнетики. Кристаллическая структура, свойства 47. Диэлектрики в статических электрических полях. Основные макроскопические характеристики. 48. Виды поляризации диэлектриков. 49. Электронная поляризуемость. 50. Ионная поляризуемость 51. Ориентационная поляризуемость 52. Диэлектрическая проницаемость твердых тел 53. Диэлектрики в переменных электрических полях, основные макроскопические характеристики 54. Резонансное поглощение электромагнитной энергии 55. Дипольная релаксация. Диэлектрические потери в полярных диэлектриках 56. Спонтанная поляризация. Общая характеристика пиро и сегнетоэлектриков 57. Основные характеристики сегнетоэлектриков. Доменная структура 58. Пьезоэлектрики. 59. Макроскопические характеристики магнитных свойств 60. Природа магнитных моментов атомов 61. Физическая природа диамагнетизма 62.Физическая природа парамагнетизма 63. Ферромагнетики. Основные характеристики 64. Физическая природа ферромагнетизма. Спиновые волны. ПРИМЕРЫ ЗАДАЧ
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: Основная литература
Дополнительная литература
в) программное обеспечение
Электронные учебные ресурсы: - тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю; - текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки; - Автономный гипертекстовый электронный учебник http://plasma.isuct.ru; - сетевой электронный учебник в СДО ИГХТУ Moodle http://edu.isuct.ru. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором. Тестирования проводятся в дисплейном классе кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|