03.06.01 Физика и астрономия. Физическая электроника

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный университет им.Ф.М. Достоевского»
Кафедра «Экспериментальной физики и радиофизики»
Утверждаю:
Проректор по научной работе
__________________С.В. Белим
«____»_______________2016 г.
Программа вступительного испытания в аспирантуру по направлению
Физика и астрономия. Физическая электроника
Программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры Экспериментальной физики
радиофизики
Зав. кафедрой
__________________
г. Омск – 2016
/В.И. Струнин/
Программа вступительного испытания в аспирантуру
Физическая электроника
1. Эмиссионная электроника.
1.1. Электроны в металлах и полупроводниках. Элементы зонной теории. Энергия Ферми.
Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ). Работа выхода. Основное уравнение ТЭЭ.
Термоэмиссионный метод прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Вакуумный диод с термокатодом и его вольтамперная характеристика.
1.2. Эмиссия под воздействием частиц. Взаимодействие электронов подпороговых энергий с
твердым телом. Упругие взаимодействия, сечения процессов. Спектры вторичных электронов.
Оже-электроны. Электронно-стимулированная десорбция.
1.3. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Распыление. Механизмы распыления.
Формула Зигмунда для коэффициента распыления.
1.4. Эффект Шоттки. Эмиссия с поверхности полупроводников. Оксидный катод.
1.5. Вторичная ионная эмиссия. Коэффициент вторичной ионной эмиссии. Рассеяние ионов
низких и средних энергий. Обратное резерфордовское рассеяние.
1.6. Ионно-электронная эмиссия. Потенциальная и кинетическая эмиссия. Ионно-фотонная
эмиссия. Электровакуумные приборы на основе холодной эмиссии электронов.
2. Полупроводниковая электроника и микроэлектроника.
2.1. Физические основы электроники твердого тела. Особенности динамики электрона в
идеальном твердом теле. Волновая функция, квазиимпульс, зоны Бриллюэна, зонный
энергетический спектр, закон дисперсии. Энергетический спектр электрона в кристалле во
внешних полях (электрическом и магнитном).
2.2. Статистика носителей заряда в полупроводниках. Обоснование применения статистики
Ферми-Дирака к электронам в твердом теле (идеальном). Статистика примесных состояний.
Невырожденные и вырожденные полупроводники.
2.3. Явления переноса заряда в твердом теле. Неравновесные носители заряда в
полупроводниках и диэлектриках. Генерация и рекомбинация. Механизмы рекомбинации.
2.4. Диффузия и дрейф неравновесных носителей, соотношение Эйнштейна. Плотность тока и
градиент уровня Ферми. Уравнение непрерывности.
2.5. Контактные явления. Различные типы контактов. Контакт твердое тело – вакуум. Контакт
металл – полупроводник. Диоды Шоттки. Диодная и диффузионная теории выпрямления.
2.6. Электронно-дырочный переход. Количественная теория инжекции и экстракции
неосновных носителей. Выпрямление с помощью p-n переходов. Статическая вольт-амперная
характеристика (ВАХ) p-n перехода. Туннельный эффект в p-n переходах. Основные
представления о полупроводниковых гетеропереходах, их применение.
2.7. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Поглощение и испускание
света полупроводниками. Механизмы поглощения. Поглощение и отражение
электромагнитных волн свободными носителями заряда.
2.8. Спонтанное и вынужденное излучение. Полупроводниковые лазеры. Фотоэффект в p-n
переходах. Солнечные батареи. Преобразование электрических сигналов в световые.
2.9. Интегральные микросхемы (ИС). Элементы ИС: транзисторы, диоды, резисторы,
конденсаторы в составе ИС. Классификация ИС по конструктивно-технологическому и
функциональному решению. Цифровые и аналоговые ИС.
3. Функциональная электроника.
3.1. Магнетоэлектроника. Цилиндрические магнитные домены. Магнитные запоминающие
устройства: на ферритах и на тонких пленках.
3.2. Акустоэлектроника: взаимодействие электронов с длинноволновыми акустическими
колебаниями решетки, акустоэлектрический эффект, усиление ультразвуковых волн.
Акустоэлектрические явления на поверхностных волнах и их практические применения –
малогабаритные линии задержки, усилители и генераторы электрических колебаний.
3.3. Молекулярная электроника. Основные принципы молекулярной электроники. Электронные
возбуждения, используемые для передачи и хранения информации в молекулярных системах.
Приборы молекулярной электроники.
3.4. Криоэлектроника. Электронные свойства твердых тел (металлы, диэлектрики,
полупроводники) при низких температурах. Явление сверхпроводимости. Эффект Мейснера.
Особенности туннелирования в условиях сверхпроводимости.
3.6. Высокотемпературная сверхпроводимость. Свойства и параметры высокотемпературных
сверхпроводников. Макроскопические квантовые эффекты сверхпроводимости. Квантование
магнитного потока. Эффект Джозефсона. Типы джозефсоновских переходов. Аналоговые
устройства на эффектах Джозефсона.
4. Газоразрядная электроника.(4 часа)
4.1. Основные направления развития газоразрядной электроники. Плазма – основные понятия.
Параметры плазмы и их определение. Особенности теории плазмы низкого и высокого
давлений. Элементарные процессы при столкновениях электронов с атомами и молекулами в
газовой среде.
4.2. Общая характеристика разновидностей газовых разрядов — тлеющий, дуговой, искровой,
коронный, ВЧ и СВЧ разряды. Пробой разрядного промежутка. Закон Пашена.
4.3. Применение разрядов. Приборы тлеющего разряда. Излучение плазмы и его применение в
приборах.
4. 4. Ионизационные камеры. Счетчики Гейгера. Приборы несамостоятельного дугового
разряда. Разрядники антенных переключателей.
4.5. Электронные мазеры и лазеры.
5. Сенсорная электроника.
5.1. Активные и пассивные сенсоры. Классификация сенсоров по принципу действия
(физические, химические, биологические). Основные виды датчиков: температурные,
оптические, давления, влажности, газовые. Материалы для сенсорики, сенсорика и
нанотехнологии.
5.2. Физические сенсоры. Физические основы работы температурных датчиков. Основы работы
датчиков давления. Основы работы датчиков влажности и газовых анализаторов.
Твердотельные газовые датчики. Физические основы работы магнитных датчиков.
Интегральные магнитные датчики. Фоточувствительные системы на основе структур «органика
на неорганике».
5.3. Химические сенсоры. Определение химического сенсора. Классификация химических
сенсоров: электрохимические, оптические, масс-чувствительные, теплочувствительные,
биосенсоры.
5.4. Биосенсоры. Физические и химические явления, используемые для создания биосенсоров.
5.5. Микросенсорика. Микро-электро-механические (МЭМС) и микро-опто-электромеханические системы (МОЭМС). Нано-электро-механические системы (НЭМС).
5.6. Методы и средства для регистрации заряженных частиц. Газовые ионизационные
детекторы частиц, трековые детекторы на основе органических и неорганических материалов,
кремниевые поверхностно-барьерные детекторы.
6. Силовая электроника.
6.1. Физические процессы, характерные для силовых полупроводниковых приборов. Перенос
носителей заряда в сильных электрических полях. Лавинный пробой планарного p-n перехода.
Особенности ВАХ силовых диодов. Переходные процессы в силовых диодах.
6.2. Мощные биполярные транзисторы. Особенности ВАХ мощных транзисторов. Их частотная
характеристика. Переходные процессы. Высокочастотные транзисторы. Тепловые свойства
транзисторов. Нестабильность характеристик.
6.3. Мощные полевые транзисторы с затвором в виде р-n перехода. Мощные МОПтранзисторы.
6.4. Тиристор и его ВАХ.
6.5. Силовые оптоэлектронные приборы. Силовая солнечная энергетика.
7. Электронно-лучевая электроника.
7.1. Корпускулярная оптика. Законы движения заряженных частиц в статических электрических
и магнитных полях. Показатель преломления в корпускулярной оптике. Оптический и
механический подходы при решении задач корпускулярной оптики.
7.2. Основные типы электростатических линз.
7.3. Электронные микроскопы. Общие принципы работы.
7.4. Динамика заряженной частицы в переменных полях.
7.5. Вакуумная электроника. Формирование электронных пучков большой плотности.
7.6. Спонтанное и вынужденное излучение потоков заряженных частиц.
8. Физические основы вакуумной и плазменной электроники.
8.1. Процессы взаимодействия мощных электронных потоков с электромагнитными полями.
8.2. Релятивистская сильноточная электроника СВЧ. Катоды со взрывной эмиссией.
8.3. Черенковские, ондуляторные, магнитотормозные релятивистские генераторы и усилители.
8.4. Формирование и фокусировка сильноточных электронных потоков в вакуумной плазме.
9.Наноэлектроника.
9.1. Особенности энергетического спектра электронов в системах пониженной размерности.
Прохождение электронов через многобарьерные квантовые структуры. Энергетический спектр
сверхрешеток. Классификация сверхрешеток.
9.2. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной
размерности.
9.3. Распределение квантовых состояний в системах пониженной размерности. Особенности
распределения плотности состояний в двухмерных (2-D) системах. Зависимость и положение
уровня Ферми от концентрации и толщины пленки для 2-D систем. Распределение плотности
состояний в квантовых проволоках и квантовых точках.
9.4. Экранирование электрического поля в структурах пониженной размерности.
Приповерхностная область пространственного заряда (ОПЗ). Разновидности ОПЗ.
9.5. Квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Энергетический спектр
электронов в постоянном однородном магнитном поле. Проводимость двумерного
электронного газа Дробный квантовый эффект Холла.
9.6. Особенности фононного спектра в системах пониженной размерности.
9.7. Особенности процессов переноса носителей заряда. Всплеск во времени дрейфовой
скорости при воздействии электрического поля. Баллистический транспорт в полупроводниках
и субмикронных приборах. Особенности электрон-фононного взаимодействия в системах
пониженной размерности. Ассиметричные структуры в магнитном поле. Эффект АароноваБома.
9.8. Туннелирование через квантоворазмерные структуры. Туннелирование через
двухбарьерную структуру с квантовой ямой. ВАХ многослойных структур.
9.9. Рассеяние электронов в квантовых проволоках. Транзисторные структуры на основе
квантовых проволок. Квантовые точки, Приборные структуры на квантовых точках.
Энергонезависимая память.
9.10. Одноэлектроника. Физические основы одноэлектроники. Практическая реализация
одноэлектронных приборов.
9.11. Углеродные нанотрубки. Перенос электронов в углеродных нанотрубках. Приборы на
основе нанотрубок.
9.12. Спинтроника. Квантовые вычисления и квантовые компьютеры.
Основная литература
1 Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика, Л.: Наука 1968.
2. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М.: Мир, 1984.
4. Епифанов Е.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. М.: Высш. Шк., 1986.
5. Электронная и ионная спектроскопия твердого тела / Под ред. Л. Фирменса. М.: Мир, 1981.
6. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводимости. М., 2000.
7. Челноков В.Е., Евсеев Ю.А. Физические основы работы силовых полупроводниковых
приборов. М.: Энергия, 1973.
8. Сушков А.Д. Вакуумная электроника. Физико-технические основы. С-Пб: Изд. Лань, 2004.
9. Куделев М.В. Плазменная релятивистская СВЧ электроника. М.: МГТУ им. Баумана, 2002.
10. В.Е. Борисенко, А.И.Воробьева, Е.А.Уткина, Наноэлектроника (Бином, М., 2008).
11. Щука А.А. Электроника. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 799 с.
12. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. СПб.: КОРОНА, 2006-414 с.
13. Дьюб, Динеш С. Электроника: схемы и анализ. М.: Техносфера, 2008-429 с.
14. Сушков А.Д. Вакуумная электроника. Физико-технические основы. СПб.: Лань, 2004. – 464
15. Вакуумная электроника. (Диденко, А.Н., Никулин, Н.К., Протасов, Ю.С. и др.) Часть 1. М.:
изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 604 с.-1 экз.
Дополнительная литература
1. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. М. Высшая
школа, 1982. – 608 с.
2. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966.
3. Соболева Н.А., Меламед А.Е. Фотоэлектронные приборы М.: Высшая школа, 1974.
4. Эмиссионная электроника. (Коваль Н. Н., Окс Е. М., Протасов Ю. С. и др., под ред.
Протасова Ю.С.) М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 595 с.
5. Арцимович Л.А., Лукьянов С.А. Движение заряженных частиц в электрических и
магнитных полях. 2-е изд. М.: Наука, 1978. – 224 с.
6. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. 2-е изд. М.:Атомиздат,
1979.
7. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. В 2-х тт. М.:
Физматлит, 2004.
8. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
9. Протасов Ю. С., Чувашев С. Н. Основы плазменной электроники М.: изд-во МГТУ им. Н.
Э. Баумана, 2006. - 631 с.
10. Кузелев М.В. , Рухадзе А.А., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника.
М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 544 с.
11. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Дж. Голдстейн и др.
Кн. 1, 2. М.: Мир, 1984.
12. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.: Наука, 1966.
13. Добрецов Л.Н.Ю Гамаюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966.
14. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков / А.А. Рухадзе и др. М.:
Атомиздат, 1980.
15. Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. М.: Мир, 1987.
16. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной электроники. М.: Изд-во
МГУ, 1986.
17. Аморфные полупроводники / Под ред. М. Бродски. М.: Мир, 1982.
18. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. М.: Высш. Шк., 1984.
19. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. М.: Мир, 1988.
20. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973.
21. Методы анализа поверхности / Под ред. А. Зандерны. М.: Мир, 1979. гл. 3 – 5.
22. Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных
частиц. М.: Наука, 1978.
23. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и
ВЭА. М.: Сов. Радио, 1979.
24. Ван Дузер Т., Тренер Ч.У. Физические основы сверхпроводящих устройств и цепей. М.:
Радио и связь, 1984.
25. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. Новосибирск;
Изд-во НГТУ, 2000.
26. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем. М.: Мир, 1985.
27. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. М.: Мир, 1989.
28. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989.
29. Аш З.Ж. и др. Датчики измерительных систем, в 2-х книгах. 1992.
30. Биосенсоры: основы и приложения. М.: Мир, 1992.
31. Блихер А. Физика тиристоров: Пер. с англ./ Под ред. И.В. Грухова. Энергоатомиздат, 1981.
32. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: Пер. с англ. / Под ред.
И.В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат, 1981.
33. Зи С. Физика полупроводниковх приборов, И 1,2: Пер. с англ. / Под ред. Р.А. Суриса. М.:
Мир, 1984.