Физика твердого тела

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________ О.Ю. Долматов
«_____»___________2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА МОДУЛЯ (ДИСЦИПЛИНЫ)
Физика твердого тела
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
140800 «Ядерные физика и технологии»
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Радиационная безопасность человека и окружающей среды,
Физика атомного ядра и частиц
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ)
бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА
2012 г.
КУРС III СЕМЕСТР VI
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 2
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б1, Б2.Б5, Б3.Б6, Б3.Б8, Б3.В.1.2, Б3.В.1.3
КОРЕКВИЗИТЫ Б3.В.1.4, Б3.В.1.8
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
16 час.
Практические занятия
16 час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 32 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 48 час.
ИТОГО 80 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
Очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ зачет (6 сем)
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Прикладной физики
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ
Потылицын А.П.
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП
Ливенцов C.Н.
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
Вуколов А.В.
2011 г.
1. Цели освоения модуля (дисциплины)
Задачей курса “Физика твердого тела” является формирование
физических представлений об основных понятиях и идеях физики твердого
тела и методах решения задач.
Цель преподавания дисциплины: формирование физических
представлений об основных понятиях и идеях физики твердого тела для
применения этих знаний при работе в различных областях науки и техники.
2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП
Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при
изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Атомная физика”,
“Теоретическая физика” и “Статистическая физика”.
3. Результаты освоения модуля (дисциплины)
«В результате освоения дисциплины студент должен/будет:
знать
 о физике твердого тела как разделе физики, ее задачах и методах их
решения;
 об основных процессах происходящих в кристаллах;
 о видах кристаллических решеток и их основных характеристиках;
 о динамике кристаллических решеток;
 о статистике электронов и видах проводимости в различных видах
кристаллических веществ;
 об устройствах, основанных на различных видах проводимости;
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие
компетенции:
1.Универсальные (общекультурные) способность/готовность
разделять реальный физический мир от
виртуального;
2. Профессиональные способность/готовность к решению широкого спектра задач через знания
устройства окружающих вещей.
4. Структура и содержание модуля (дисциплины)
4.1 аннотированное содержание разделов модуля (дисциплины):
Часть 1.
ТИПЫ СВЯЗЕЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ (1 час)
1. Основные понятия физики твердого тела
-1 час
Цели и задачи курса. Основные понятия. Кристаллическая структура
твердых тел и их форма. Типы межатомных связей Вандерваальсово
взаимодействие. Ковалентная связь. Ионная связь. Водородная связь.
Металлическая связь. Классификация твердых тел по типам связи.
Часть 2.
ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛОВ (2 часа)
1. Трансляции и типы кристаллических решеток
-1 час
Трансляции и кристаллическая решетка. Операции симметрии.
Элементарная ячейка. Основные типы кристаллических решеток.
Решетки Браве.
2. Кристаллографические плоскости, индексы Миллера
-1 час
Положение и ориентация плоскостей в кристаллах. Индексы Миллера и
кристаллографические направления. Структуры реальных кристаллов.
Часть 3.
ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ (2 часа)
1. Колебания однородной цепочки масс
-1 час
Упругие свойства кристаллов. Колебания однородной цепочки масс.
Дисперсионное уравнение. Длинноволновой и коротковолновой пределы.
2. Колебания двухатомной цепочки масс
-1 час
Колебания двухатомной линейной цепочки масс. Длинноволновой и
коротковолновой пределы.
Часть 4.
ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (2 часа)
1. Фононы и их статистика, теплоемкость твердых тел
-1 час
Теплоемкость твердых тел. Фононы. Классическая теория теплоемкости.
Модель Эйнштейна. Функция и температура Эйнштейна.
2. Теплоемкость твердых тел, модель Дебая
-1 час
Теплоемкость твердых тел. Модель Дебая. Функция и температура Дебая.
Часть 5.
ДИФРАКЦИЯ В КРИСТАЛЛАХ (2 часа)
1. Условие Брэгга
-1 часа
Дифракция в кристаллах. Три вида излучения. Прямое пространство.
Условие Брэгга. Факторы рассеяния.
2. Обратное пространство
-1 час
Обратное пространство. Зоны Бриллюэна. Условие Брэгга в обратном
пространстве.
Часть 6. ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛЕ (2 часа)
1. Статистика электронов в кристалле
-2 часа
Уравнение Шредингера. Адиабатическое приближение. Валентная
аппроксимация.
Приближение
самосогласованного
поля.
Одноэлектронное приближение. Оператор трансляции. Функции Блоха.
Область определения волнового вектора и его дискретность.
Часть 7.
МЕТАЛЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ (2 часа)
1. Виды проводимости
-0,5 часа
Металлы, диэлектрики, полупроводники. Статистика электронов в
металлах. Собственные и примесные полупроводники.
2. Полупроводники
-0,5 часа
Донорные и акцепторные состояния. Элементарная теория примесных
состояний. Поверхностные состояния.
3. Статистика носителей зарядов в полупроводниках
-1 час
Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Плотность
состояний. Концентрация электронов и дырок в зонах. Концентрация
электронов и дырок на локальных уровнях. Взаимная компенсация
доноров и акцепторов.
Часть 8.
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ (3 часа)
1. Эмиссионные процессы с поверхности твердого тела
-1 час
Потенциальные барьеры. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия.
Эмиссия во внешнем поле и автоэлектронная эмиссия. Фотоэмиссия.
Вторичная электронная эмиссия.
2. Контактные явления в твердых телах
-1 час
Контактная разность потенциалов. Контакт металл-металл. Контакт
металл-полупроводник. pn - переход. Вольтамперная характеристика
pn –перехода. Диод. Транзистор. Гетеропереходы.
3. Полупроводниковые приборы
-1 час
Полупроводниковые приборы: тиристоры и динисторы, диоды и их
применение, полевые транзисторы.
Структура модуля (дисциплины)
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
1. ТИПЫ СВЯЗЕЙ В
Аудиторная работа (час)
Лекци Практ./сем.
Лаб. зан.
и
Занятия
1
2
СРС
(час)
Колл,
Контр
.Р.
Ито
го
6
9
2
2
6
10
2
2
6
10
2
2
6
10
2
2
6
10
2
2
6
10
2
2
6
10
3
2
6
11
16
16
48
80
ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
2. ОПИСАНИЕ
СТРУКТУРЫ
КРИСТАЛЛОВ
3. ДИНАМИКА
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ
РЕШЕТКИ
4. ТЕПЛОЕМКОСТЬ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
5. ДИФРАКЦИЯ В
КРИСТАЛЛАХ
6. ЭЛЕКТРОНЫ В
КРИСТАЛЛЕ
7. МЕТАЛЛЫ И
ПОЛУПРОВОДНИКИ
8. КОНТАКТНЫЕ
ЯВЛЕНИЯ
Итого
5. Образовательные технологии
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих формах
деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации, и ее
использование при решении практических задач;

практические занятия, направленные на активизацию познавательной
деятельности студентов и приобретения ими навыков решения практических и
проблемных задач;
 консультации – еженедельно для всех желающих студентов;
 самостоятельная внеаудиторная работа направлена на приобретение навыков
самостоятельного решения задач по дисциплине;
 текущий контроль за деятельностью студентов осуществляется на
лекционных и практических занятиях в виде самостоятельных работ (в
соответствии с рейтинг-планом дисциплины)
 рубежный контроль включает контрольные работы, которые проводятся в
стандартные сроки этого контроля на Физико-техническом факультете;
 контроль деятельности студентов проводится в рамках рейтинговой системы,
принятой в ТПУ, при этом количество баллов, получаемых студентом по
каждому виду контроля, определяется в соответствии с рейтинг-планом
дисциплины. К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 550
баллов по всем видам контроля.
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице
(см. табл 2). Перечень методов обучения и форм организации обучения может быть
расширен.
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лаб.
Пр. зан./ Тр*.,
Лекц.
СРС
К. пр.
раб.
Сем.,
Мк**
Методы
IT-методы
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы проблемного
обучения.
Обучение
+
+
на основе опыта
Опережающая
самостоятельная
работа
Проектный метод
Поисковый метод
Исследовательский
+
метод
Другие методы
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов






(практические занятия 16 часов)
Структура кристаллов
Химические связи и энергия решетки
Динамика кристаллической решетки
Теплоемкость твердых тел
Электронная теория металлов
Зонная структура кристаллов
 Полупроводники
 Контактные явления. Потенциальные барьеры. Работа выхода
По каждой теме курса проводится контрольная работа, по которой студент
получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ.
Программа самостоятельной познавательной деятельности(48 часов)
 Самостоятельное изучение теоретического материала
Часть теоретического материала предлагается студентам для изучения в часы
самостоятельной работы. Общее время самостоятельной работы для этих целей
планируется в размере 32 часа.
 Выполнение практических заданий
Общее время самостоятельной работы студента, которое отводится на выполнение
практических заданий – 16 часов.
Текущая СРС, направленая на углубление и закрепление знаний
студента, развитие практических умений.
- работа с лекционным материалом,
- выполнение домашних заданий,
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
- подготовка к практическим занятиям;
- подготовка экзамену.
6.1
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР), ориентированая на
развитие интеллектуальных умений, комплекса
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение
творческого потенциала студентов.
- поиск, анализ, структурирование и презентация информации,
- выполнение расчетно-графических работ;
- исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и
олимпиадах;
- анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме;
6.2
Содержание самостоятельной работы студентов по модулю (дисциплине)
Для каждого модуля разработаны специальные задания с теоретическими
вопросами, упражнениями и задачами (см. материалы текущего и рубежного контроля).
Часть задач решается в классе, а часть во время самостоятельной работы. Объем заданий
определяется временем, отведенным студенту учебным планом и планом самостоятельной
работы. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и получает
определенное число баллов в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ.
6.2.
6.3
Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм:
самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
6.4
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Основная
1. Введение в физику твердого тела: пер. с англ./ Ч. Киттель : пер. с англ. / Ч.
Киттель. — 2-е изд., стер.. — Москва: Альянс, 2006. — 792 с.: ил.. — Библиогр.: с.
769-791..
2. Физика полупроводников : учебник / К. В. Шалимова. — 4-е изд., стер.. — СПб.:
Лань, 2010. — 392 с.: ил.. — Учебники для вузов. Специальная литература. —
Предметный указатель: с. 383-387. — Список основных обозначений: с. 4-6.. —
ISBN 978-5-81145-0922-8.
Дополнительная
1. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учебное пособие / В.
И. Старосельский. — Москва: Высшее образование Юрайт, 2009. — 463 с.: ил.. —
Высшее образование. —Основы наук. — Библиогр. в конце гл.. — ISBN 978-59692-0261-0.
2. Физика твердого тела для инженеров : учебное пособие / В. А. Гуртов, Р. Н.
Осауленко; научн. ред. Л. А. Алешина. — 2-е изд., испр. и доп.. — Москва:
Техносфера, 2012. — 559 с.: ил.. — Мир физики и техники. — Список
рекомендованной литературы: с. 545-551. — Основные обозначения: с. 552-554.
— Предм. указ.: с. 555-558.. — ISBN 978-5-94836-327-1.
7. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и
промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с
«Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости,
промежуточной
и
итоговой
аттестации
студентов
Томского
политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од
от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического
материала ответы на вопросы и др.) и результаты практической
деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем
и др.) проводится в течение семестра (оценивается в баллах
(максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент
должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен) проводится в конце семестра и
оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене студент
должен набрать не менее 22 баллов.
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов,
полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный
итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
1.
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
Назовите основные различия между кристаллическими и аморфными твердыми
телами.
2.
Кристаллическая решетка,
внутренних смещений.
3.
Типы межатомных связей. Вандерваальсово взаимодействие. Ионная связь.
4.
Типы межатомных связей. Ковалентная и водородная связь. Металлическая связь.
5.
Операции симметрии в кристаллической решетке. Трансляционная симметрия.
6.
Решетка Браве. Основные типы двухмерных решеток Браве и их симметрии.
базис,
вектор
кристаллической
решетки,
вектор
7.
Решетка Браве. Основные типы трехмерных решеток Браве. Базоцентрированная,
объемоцентрированная, гранецентрированная.
8.
Кристаллографическая плоскость и кристаллографическое направление. Индексы
Миллера.
9.
Колебания одноатомной линейной цепочки масс. Дисперсионное соотношение.
Длинноволновый и коротковолновый пределы.
10. Колебания двухатомной линейной цепочки масс. Дисперсионное соотношение.
Длинноволновый и коротковолновый пределы.
11. Теплоемкость твердых тел. Фононы. Классическая модель теплоемкости.
12. Модель теплоемкости Эйнштейна. Функция Эйнштейна. Температура Эйнштейна.
13. Модель теплоемкости Дебая. Функция Дебая. Температура Дебая.
14. Дифракция в кристаллах. Три вида излучения для изучения кристаллов. Условие
Брэгга.
15. Обратное пространство. Условие Брэгга в обратном пространстве.
16. Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера.
аппроксимация. Приближение самосогласованного поля.
Валентная
17. Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера. Адиабатическое
приближение. Одноэлектронное приближение.
18. Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера. Функции Блоха.
Область определения волнового вектора и его дискретность.
19. Статистика электронов в кристалле. Основные различия между металлами
диэлектриками и полупроводниками.
20. Собственные и примесные полупроводники. Донорные и акцепторные состояния.
Элементарная теория примесных состояний.
21. Статистика носителей зарядов в полупроводниках. Плотность состояний. Взаимная
компенсайия доноров и акцепторов.
22. Потенциальный барьер. Работа выхода. Эмиссиия электронов с поверхности
твердого тела.
23. Контактная разность потенциалов. Контакт металл-металл. Контакт металлполупроводник.
24. p-n-переход. Вольтамперная характеристика p-n-перехода. Полупроводниковые
приборы.
Дополнительные (устные) вопросы
1. Объемоцентрированная, базоцентрированная, гранецентрировання решетка.
2. Вектор кристаллической решетки и вектор внутренних смещений.
3. Типы межатомных связей.
4. Сколько основных типов двухмерных решеток Браве?
5. Кристаллографическая плоскость.
6. Кристаллографическое направление.
7. Дисперсионная кривая однородной линейной цепочки масс.
8. Дисперсионная кривая двухатомной линейной цепочки масс.
9. Дисперсионная кривая однородной трехмерной решетки.
10. Классическая модель теплоемкости.
11. Основные положения модели теплоемкости Эйнштейна.
12. Основные положения модели теплоемкости Дебая.
13. Три вида излучения для изучения кристаллов.
14. Условие Брэгга.
15. Условие Брэгга в обратном пространстве.
16. Валентная аппроксимация.
17. Приближение самосогласованного поля.
18. Адиабатическое приближение.
19. Одноэлектронное приближение.
20. Функции Блоха.
21. Собственные и примесные полупроводники.
22. Потенциальный барьер.
23. Работа выхода.
24. Виды эмиссии электронов с поверхности твердого тела.
25. Контактная разность потенциалов.
26. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
(дисциплины)
Основная
3. Введение в физику твердого тела: пер. с англ./ Ч. Киттель : пер. с англ. / Ч.
Киттель. — 2-е изд., стер.. — Москва: Альянс, 2006. — 792 с.: ил.. — Библиогр.: с.
769-791..
4. Физика полупроводников : учебник / К. В. Шалимова. — 4-е изд., стер.. — СПб.:
Лань, 2010. — 392 с.: ил.. — Учебники для вузов. Специальная литература. —
Предметный указатель: с. 383-387. — Список основных обозначений: с. 4-6.. —
ISBN 978-5-81145-0922-8.
Дополнительная
3. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учебное пособие / В.
И. Старосельский. — Москва: Высшее образование Юрайт, 2009. — 463 с.: ил.. —
Высшее образование. —Основы наук. — Библиогр. в конце гл.. — ISBN 978-59692-0261-0.
4. Физика твердого тела для инженеров : учебное пособие / В. А. Гуртов, Р. Н.
Осауленко; научн. ред. Л. А. Алешина. — 2-е изд., испр. и доп.. — Москва:
Техносфера, 2012. — 559 с.: ил.. — Мир физики и техники. — Список
рекомендованной литературы: с. 545-551. — Основные обозначения: с. 552-554.
— Предм. указ.: с. 555-558.. — ISBN 978-5-94836-327-1.
10. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
При проведении практических (семинарских) и лабораторных занятий и чтении
лекций используются компьютеры, мультимедиа проигрыватели, корпоративная
компьютерная сеть и ИНТЕРНЕТ.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки
140800 ЯДЕРНЫЕ ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИИ.
Программа одобрена на заседании кафедры Прикладной физики ФТИ
ТПУ (протокол № ______ от «_____» сентября 2012 г.).
Автор _____________________________ Веригин Д.А.
Рецензент(ы) __________________________