Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
реклама
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 Утверждаю: проректор по УР _______________ В.В. Рыбкин « » Рабочая учебная программа дисциплины Физика конденсированного состояния Направление подготовки 210100 Электроника и наноэлектроника Профиль подготовки Твердотельная электроника и микроэлектроника Квалификация (степень) Бакалавр Форма обучения очная Иваново, 2010 20 г. 1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины являются изучение физики конденсированного состояния вещества и его основные свойства, определяемые его структурой. В системе подготовки бакалавра по направлению "Электроника и наноэлектроника" данная дисциплина является одной из фундаментальных, поскольку на свойствах конденсированного состояния вещества базируется как разработка новых типов изделий, так и технология их изготовления. 2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина относится к базовым дисциплинам профиля, базируется на результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла, в том числе математики, физики, химических дисциплин, а так же дисциплины профиля: «Методы математической физики». Для успешного усвоения дисциплины студент должен знать: - основные понятия и методы математического анализа, аналитической геометрии, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений математической физики, теории вероятностей и математической статистики; - законы Ньютона и законы сохранения, элементы механики жидкостей, законы термодинамики, статистические распределения, уравнения Максвелла, волновые процессы, геометрическую и волновую оптику, основы квантовой механики; - электронное строение атомов и молекул, основы теории химической связи в соединениях разных типов, основные закономерности протекания химических процессов и характеристики равновесного состояния, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и их важнейших соединений; уметь: - проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности, математической статистики и аналитической геометрии, решать уравнения и системы дифференциальных и алгебраических уравнений применительно к реальным процессам, применять методы математической физики при решении типовых профессиональных задач; - работать в качестве пользователя персонального компьютера, использовать внешние носители информации для обмена данными между машинами, создавать резервные копии и архивы данных и программ, использовать численные методы для решения математических задач, использовать языки и системы программирования для решения профессиональных задач, работать с программными средствами общего назначения; - формулировать и решать типовые задачи связанные с основными разделами физики, использовать физические законы при анализе и решении проблем профессиональной деятельности; - использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и количественные соотношения неорганической и физической химии для решения профессиональных задач; владеть: - методами построения математических моделей типовых профессиональных задач и содержательной интерпретации полученных результатов; - методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях, техническими и программными средствами защиты информации при работе с компьютерными системами; - теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе электронного строения их атомов и молекул и положения в Периодической системе химических элементов; - методами статистической термодинамики для описания различных равновесий Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении следующих дисциплин: 2 - Физические основы электроники - Технология тонких пленок и покрытий - Технология материалов твердотельной электроники - Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники и наноэлектроники - Физическая химия материалов и процессов электронной техники Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10); способностью выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физикоматематический аппарат (ПК-2); готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3); способностью использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-33); cпособностью использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления (ПК-34); 3. 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 4. Структура дисциплины Физика конденсированного состояния Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единиц, 144 часов. Всего Вид учебной работы Семестры часов 4 5 6 Аудиторные занятия (всего) 68 68 Лекции 34 34 Практические занятия (ПЗ) 34 34 Семинары (С) - - Лабораторные работы (ЛР) - - В том числе: 3 7 Самостоятельная работа (всего) 76 76 Курсовой проект (работа) - - Расчетно-графические работы 25 25 Реферат - - Оформление отчетов по лабораторным работам - - подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам 25 25 Подготовка к экзамену 18 18 Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) з,э з,э Общая трудоемкость час 144 144 зач. ед. 4 4 В том числе: 5. Содержание дисциплины 5.1. Содержание разделов дисциплины 5.1.1. 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. 5.1.2. 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. 5.1.3. 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. 5.1.4. 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. 5.1.5. 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. 4 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. 5.1.6. 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. 5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами №, п.п № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин Физические основы электроники 1 Технология тонких пленок и покрытий 2 Технология материалов твердотельной электроники Наноэлектроника 3 4 Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники и наноэлектроники 5 Физическая химия материалов и процессов электронной техники 5.3. Разделы дисциплин и виды занятий 6 Наименование раздела дисциплины 1 2 3 4 5 6 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1. Структура и симметрия твердых тел. 4 4 - 10 Всего час. 18 2. Несовершенства в кристаллах. 5 5 - 12 22 3. Квантовая механика электронов в твердых телах. Кинетические явления в металлах и полупроводниках. Диэлектрические и магнитные свойства веществ. Оптические свойства кристаллов. 8 8 - 18 34 6 6 - 12 24 6 6 - 12 24 5 5 - 12 22 № п/п 4. 5. 6. Лекц. Практ. Лаб. зан. зан. Семин 6. Практические занятия (семинары) Модуль 1. Тематика практических занятий. Трудоемкость 4 час. - нахождение элементов симметрии решетки; - определение типа решетки, определение базиса, сингонии, нахождение 5 СРС 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 5 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; Модуль 3. Тематика практических занятий. Трудоемкость 8 час. - 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. Модуль 4. Тематика практических занятий. Трудоемкость 6 час. - расчеты плотностей токов, проводимости металлов и полупроводников при разных температурах и обратные задачи по определению и оценке подвижности, частот столкновений, длин свободных пробегов; - оценки параметров полупроводников по данным эффекта Холла; - оценки критических параметров сверхпроводников 1-го рода (критических токов, напряженностей магнитных полей, длин корреляции). Модуль 5. Тематика практических занятий. Трудоемкость 6 час. - оценки величин поляризуемости (электронной, ионной, дипольной) и диэлектрических характеристик вещества по экспериментальным данным; - оценки условий возникновения спонтанной поляризуемости; - расчеты диэлектрических потерь и диэлектрических характеристик при различных частотах; - расчеты намагниченности различных материалов по данным об их строении и электронной структуре материалов. Модуль 6. Тематика практических занятий. Трудоемкость 5 час. - расчеты фотопроводимости по известным характеристикам генерации и рекомбинации неравновесных носителей зарядов; - оценки толщины области фотопроводимости; - анализ зонной структуры по спектрам поглощения и фотопроводимости и обратная задача – определение полос поглощения в спектре по данным о зонной структуре. 7. Примерная тематика курсовых проектов (работ) Курсовые проекты или работы данной дисциплине не планируются 8. Образовательные технологии. Чтение лекций по данной дисциплине проводится с использованием мультимедийных презентаций в части представления сложного графического материала – элементы симметрии, сингонии, решетки Бравэ и т.д.. Для объяснения структуры используются также модели элементарных решеток, а также различной ориентации монокристаллы кремния, титаната бария, рубина и некоторые другие. 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). 6 2. Беглый опрос основных теоретических положений. Объяснение хода решения задач, заданных на дом. 3. Решение 1-2 типовых задач у доски с анализом ошибок. 4. Самостоятельное решение задач. 5. Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего). 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: подготовка и написание рефератов, докладов. выполнение домашних заданий расчетного характера. 9. 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: 1. Рыбкин В.В., Титов В.А., Смирнов С.А. Физика твердого тела. Учебное пособие. Иваново, изд. ИГХТУ, 2001, 100 с. 2. Рыбкин В.В., Титов В.А., Смирнов С.А. Физика твердого тела. Уч.пособие. Иваново. 2010. 200 с. 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. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля 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. 7 Варианты тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов Модуль 1 1. Для кристаллов не может быть осей симметрии 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) Модуль 2 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 8 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 Модуль 3 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<< энергии уровня Ферми 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 F ( E ) EdE дает 0 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 1. Эффективная масса электрона не может быть 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 9 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 2го 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 Модуль 5 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 10 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 Модуль 6 1. Красная граница собственной полосы поглощения полупроводника зависит от 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 1. Элементы точечной симметрии. Простые и сложные элементы. 2. Кристаллические классы. Точечная группа симметрии. 3. Трансляционная группа. Простые и сложные решетки. 4. Кристаллографические категории. Сингония и решетки Бравэ. 5. Индексы Миллера. 6. Определение структуры кристаллов. Обратная решетка. 11 7. Общая классификация дефектов. 8. Колебания в одномерной простой решетке. Дисперсионное соотношение. Зона Бриллюэна. 9. Спектр частот одномерной простой решетки. 10. Колебания в одномерной сложной решетке. Оптическая и акустическая ветви. 11. Термодинамические функции твердых тел в приближении Эйнштейна. 12. Теплоемкость твердых тел в приближении Дебая. 13. Дефекты по Шоттки. Температурная зависимость концентрации дефектов. 14. Дефекты по Френкелю. Температурная зависимость концентрации дефектов. 15. Модель свободных электронов. Волновые функции. Уровни энергии. 16. Уровень Ферми при 0 К. 17. Функция распределения энергетических состояний по энергиям. 18. Вероятность заполнения энергетического уровня. Функция Ферми –Дирака. Вырождение. 19. Функция распределения электронов по энергиям. Теплоемкость металлов. 20. Электропроводность металлов. 21. Зонная модель твердых тел. Образование зон. Зоны Бриллюена. 22. Количество мест в зоне. Их заполнение. Проводники, диэлектрики, полупроводники. 23. Электроны и дырки. Эффективная масса электрона. 24. Собственные полупроводники. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми. 25. Полупроводники p-типа. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми. 26. Полупроводники n-типа. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми. 27. Общий подход к определению концентрации носителей зарядов и положению уровня Ферми в полупроводниках. 28. Продольные и поперечные явления. Эффект Холла. 29. Проводимость полупроводников. Температурная зависимость. 30. Неравновесные носители зарядов. Механизмы рекомбинации, характеристики. 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 12 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 К объему газа при Т=300 К и давлении 1 атм, состоящего из дипольных молекул с дипольным моментом 0.38 D (1D=3.34 10-30 Кл м) приложено поле 50 В/см. Найдите поляризованность Р единицы объема газа и плотность поверхностных зарядов Вольфрам образует кубическую объемно-центрированную решетку. Его плотность равна 19.3 г/см3. Вычислите длину ребра элементарной ячейки и определите расстояние между ближайшими плоскостями (200). Плотность кристалла СаО, относящегося к кубической сингонии с периодом решетки 0.481 нм равна 3.32 г/см3. Сколько молекул CaO приходится на элементарную ячейку. Найдите угол, образованный направлениями [111] и [011]. Никель имеет энергию образования дефектов Шоттки 1.6 эВ, а дефектов Френкеля – 1.9 эВ. Оцените, во сколько раз будут отличаться концентрации этих дефектов при 900 К. Удельная теплоемкость свинца при температуре 20 оС Cv=123 Дж/(кг К). Найдите молярную теплоемкость металла. Что можно сказать о температуре Дебая для этого металла? Температура Дебая для ртути составляет 75 К. Какова теплоемкость Cv этого металла при Т=300 К? Температура Дебая для свинца составляет 95 К. Какова теплоемкость Cv этого металла при Т=300 К? Кремний легирован фосфором до концентрации 1023 м-3. Определите будет ли примесь истощена при 300 К. Для Т=300 К найдите концентрации основных и не основных носителей заряда, положение уровня Ферми, электронную и дырочную составляющую проводимости, плотность тока при напряженности поля 10 В/см . Кремний легирован бором до концентрации 1023 м-3. Определите, будет ли примесь истощена при 300 К. Для Т=300 К найдите концентрации основных и не основных носителей заряда, положение уровня Ферми, электронную и дырочную составляющую проводимости, плотность тока при напряженности поля 20 В/см . Кремний и германий легированы фосфором до концентрации 1023 м-3. Определите, будет ли примеси истощены при 300 К. Для Т=300 К найдите во сколько раз будут отличаться плотности токов в кремнии и германии, если к обоим образцам приложена напряженность поля 10 В/см . Кремний одновременно легирован фосфором до концентрации 1023 м-3 и бором до концентрации 1021 м-3. Известно, что примеси истощены при 300 К. Для Т=300 К найдите концентрации основных и не основных носителей заряда, положение уровня Ферми, а также плотность тока, если к образцу приложена напряженность поля 10 В/см . 13 Кремний одновременно легирован бором до концентрации 1023 м-3 и фосфором до концентрации 1021 м-3. Известно, что примеси истощены при 300 К. Для Т=300 К найдите концентрации основных и не основных носителей заряда, положение уровня Ферми, а также плотность тока, если к образцу приложена напряженность поля 10 В/см . Вычислите энергию уровня Ферми для меди двумя способами. А) на основе данных о параметрах решетки Б) на основе постоянной γ для теплоемкости электронного газа . Какова вероятность заполнения уровня электронами, если он расположен на кТ выше уровня Ферми. На основе удельного сопротивления и параметров решетки оцените подвижность электронов в никеле. Какова плотность тока в никелевом проводнике длиной 1м при приложении разности потенциалов 1 В. Фторид лития – ионный кристалл – имеет решетку типа NaCl. Ее период 0.403 нм. Относительная диэлектрическая проницаемость в статическом поле r=9.27. К образцу прямоугольной формы нормально приложено внешнее электрическое поле Е=100 В/м. Найдите: а) силовую постоянную связи Li-F б) поляризуемость -- связи Li-F в) поляризованность –Р- диэлектрика г) напряженность внутреннего электрического поля Е’ д) индукцию электрического поля D е) поверхностную плотность связанных зарядов. Определите длину волны края собственной полосы поглощения для арсенида галлия при 300 К, если его ширина запрещенной зоны составляет 1.43.эВ. 11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: Основная литература Число Число ККО экземпляров студентов № Описание 1 2 3 4 5 6 Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников . М.: Высш.шк. 1982 . 528с. Шаскольская М.П. Кристаллография . М.: Высшая школа. 1984 . 376 с. Кнотько А. В. Химия твердого тела :/А. В. Кнотько, И. А. Пресняков, Ю. Д. Третьяков. М. : Академия. 2006. 303 с. Рыбкин В.В., Титов В.А., Смирнов С.А. Физика твердого тела. Уч.пособие. Иваново. 2010. 200 с. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела. М.: Изд-во МГУ. 1988 . 233 с. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела . М.: Высш.шк. 2000 . 494 с. 6 20 — 16 — 25 — 80 — 94 — 33 — Дополнительная литература Гантмахер, В. Ф. Электроны в неупорядоченных средах М.: ФИЗМАТЛИТ. 2005. 232 с. Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах . М.: 2 Мир. 1982 . 270 с. (1) Зегря Г. Г., Перель,, В. И. Основы физики 3 полупроводников .— М.: Физматлит, 2009 .— 336 с. (1) 1 14 1 20 — 1 — 1 — в) программное обеспечение - СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista - ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007 Pro, FireFox - СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro, SunRAV TestOfficePro. 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. 12. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором. Тестирования проводятся в дисплейном классе кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium). Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки. Автор _________________________ (Рыбкин В.В.) Заведующий кафедрой ___________ (Светцов В.И.) Рецензент (ы) ___________________ (подпись, ФИО) Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 201__ года, протокол № ____. Председатель НМС _______________ (Н.Ф. Косенко) 15
