Учебно-методический комплекс специализации «Физическое материаловедение» Обсужден и принят на заседании кафедры экспериментальной физики. Протокол № от 200 г
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «цены и ценообразование» Программа и методические, 632.17kb.
- Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа для студентов одо и озо специальности, 586.96kb.
- Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа. Методические указания по выполнению, 331.05kb.
- Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Математика и информатика», 778.25kb.
- Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономики и менеджмента», 4784.46kb.
- Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Философия и политология», 8372.98kb.
- Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономика и менеджмент», 710.92kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «маркетинговые иследования» Учебное пособие, 1390.13kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «промышленный маркетинг» Учебное пособие, 1440.18kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «мерчендайзинг» Программа и методические, 326.86kb.
курса: «Физика полупроводников и диэлектриков»
для специальности 01 07 00 – Физика
факультет: Физический
курс 4
семестр 8 зачет 8 (семестр)
Лекции 36 ч
Лабраторные занятия 36 ч
Самостоятельная работа 28 ч
Всего часов 100
Составитель:
доцент каф.эксп.физики Сергеева И.А.
Кемерово, 2008
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика».
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики
Протокол № ____ от «___» ____________ 2008 г.
Зав. кафедрой д.ф.-м.н. профессор ___________ Л.В. Колесников
Одобрено методической комиссией физического факультета
Протокол № ____ от «___» ___________ 2008 г.
Председатель к.ф.-м.н. доцент М.Л. Золотарев
Пояснительная записка к курсу
«Физика полупроводников и диэлектриков»
- Актуальность и значимость курса. Курс "Физика полупроводников и диэлектриков" является одной из составляющей подготовки специализации «Материаловедение». Помимо фундаментального значения, курс имеет прикладную направленность, благодаря чему он необходим как будущим научным работникам, преподавателям, так и практическим специалистам.
- Цели и задачи изучения курса. Курс "Физика полупроводников и диэлектриков" является дисциплиной специализации «Физическое материаловедение». Данный курс является продолжением курсов по специализации " Физическое материаловедение" и имеет цель в рамках курса физики твердого тела ознакомить студентов с основными понятиями о типах дефектов в твердых телах, кинетическими и контактными явлениями в твердых телах, явлениями переноса.
Формирование базовых знаний в области методов и теории, обеспечивающих фундаментальные основы современных приложений в различных сферах деятельности.
Студент должен овладеть как универсальными (общенаучными), так и инструментальными компетенциями в области приложения методов теории и практики.
- Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов. При изучении курса подводятся итоги изучения дисциплин специальности и специализации в области теории твердого тела; приоритет отдается методам и их применению к конкретным задачам физики твердого тела.
- Структура учебной дисциплины. Учебная дисциплина включает в себя лекции, разбитые на восемь тем, и самостоятельную работу студентов. Изучаемые темы: Теория дефектов в кристаллических твердых телах. Поляризация диэлектриков в постоянном и переменном электрических полях, кинетические явления в полупроводниках, рекомбинация, гальваномагнитные явления. Самостоятельная работа студентов заключается в подготовке к докладам на семинарских занятиях по избранным темам, составляемым на первых занятиях по рекомендации руководителей дипломных работ студентов.
- Особенности изучения дисциплины. Межпредметные связи. Настоящий курс составлен для физиков-экспериментаторов, поэтому в нем выдержаны пропорции между математическим аппаратом и физическим содержанием. Основная направленность курса и выбор разделов курса связан с возможностью практического усвоения излагаемого материала в лабораториях специализации. Поэтому освоение материала курса следует рассматривать как важный этап в освоении физики и практики конденсированного состояния.
- Требования к уровню усвоения содержания курса. Студенты должны овладеть следующими компетенциями: Обязательный минимум содержания:
Типы дефектов в твердых телах. Концентрация дефектов. Электрическое поле в диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость. Поляризация в твердых телах. Ионная проводимость. Уравнение Клаузиуса - Мосотти. Диэлктрические потери. Рассеяние носителей заряда. Кинетические явления в полупроводниках. Кинетическое уравнение Больцмана. Время релаксации. Кинетические коэффициенты. Электропроводность. Гальваномагнитные эффекты. Эффект Холла. Рекомбинация носителей заряда. Механизмы рекомбинации. Люминесценция.
- Виды контроля знаний и их отчетности. Контроль знаний осуществляется путем проверки конспектов, решения задач, ответов на вопросы, привлечения к обсуждению всей аудитории, Выполнения лабораторного практикума. Заключительная форма контроля – зачет.
- Критерии оценки знаний студентов по семинару. Для получения допуска к зачету требуется посещение аудиторных занятий, отработки пропущенных занятий в форме предоставления в письменном виде материалов, из которых следует, что он самостоятельно полно проработал соответствующую тему. Зачет проставляется при условии качественного усвоения всех тем и выполнения лабораторного практикума.
Программа курса «Физика полупроводников и диэлектриков».
Внешнее и среднее поле в диэлектрике. Локальное поле. Поле Лоренца. Уравнение Клаузиуса - Мосотти (1 час). Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Дипольная поляризуемость для полярного газа и жидкости (1 час). Поляризация твердых ионных диэлектриков. Переходные процессы при включении и выключении поля (2 часа). Связь между релаксационной и дипольной поляризацией. Поляризация при непрерывном изменении внешнего поля (1 час). Активная и реактивная поляризация в синусоидальном поле. Отставание релаксационной поляризации по фазе от поля (1 час). Диэлектрические потери в диэлектриках с релаксационной поляризацией и сквозной проводимостью. Тангенс угла диэлектрических потерь (1 час). Комплексная диэлектрическая проводимость. Диаграмма Коула - Коула. Формулы Дебая. Время релаксации и функция распределения времен релаксации (1 часа). Изотермы тангенса угла диэлектрических потерь от частоты. Информация, получаемая из эксперимента. Экспериментальные данные (1 час). Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от частоты. Информация, получаемая из эксперимента. Экспериментальные данные (1 час). Примеры разложения Дебаевских потерь на элементарные составляющие (1 час). Дефекты кристаллов. Точечные дефекты. Классификация дефектов по размерам искажаемой области. Классификация точечных дефектов. Дефекты по Шоттки и по Френкелю. Расчет концентрации дефектов (1 час). Концентрация дефектов в чистых и примесных кристаллах. Химический потенциал дефектов, закон действия масс, константы равновесия, энтальпии образования (1 час). Диффузия и подвижность дефектов, закон Фика. Механизмы диффузии, диффузия по свободным вакансиям, по парам вакансий, по парам примесь - вакансия, диффузия изовалентных и гетеровалентных ионов, коэффициент диффузии, энтальпии переноса (2 часа). Ионная проводимость. Уравнение Нернста - Эйнштейна. Температурная зависимость, изотермы относительной проводимости, собственная и структурно-чувствительная области, влияние иновалентных примесей. Метод радиоактивных изотопов (2 часа). Измерение ионной проводимости эмульсионных микрокристаллов методом диэлектри-ческих потерь. Зависимость ионной проводимости и энергии активации проводимости от размеров, габитуса, стехиометрии, адсорбции фото-активных веществ (1 час). Равновесные носители заряда в полупроводниках. Функция распределения Ферми-Дирака, плотность квантовых состояний, концентрация электронов и дырок. Собственный, примесный полупроводник, степень заполнения примесных уровней. Зависимость положения уровня Ферми от концентрации примеси и температуры, вырожденные и невырожденные полупроводники (2 часа). Рассеяние носителей заряда в кристаллах, механизмы и центры рассеяния, сечение рассеяния (2 часа). Кинетические явления, классификация. Неравновесная функция распределения, кинетические уравнение Больцмана, время релаксации, решение кинетического уравнения Больцмана методом времени релаксации, кинетические коэффициенты (2 часа). Электропроводность полупроводников, удельная электрическая проводимость, зависимость подвижности носителей заряда от температуры (2 часа). Гальвано - магнитные эффекты, эффект Холла, коэффициент Холла, Холл-фактор, магниторезистивный эффект (2 часа).Термоэлектрические эффекты, эффект Зеебека, эффект Томсона, теплопроводность (1 час). Неравновесные носители заряда. Функция распределения, квазиуровни Ферми, генерация носителей. Максвелловское время релаксации (2 часа). Рекомбинация носителей заряда, виды рекомбинации, межзонная рекомбинация, рекомбинация через ловушки, линейная и квадратичная рекомбинация (2 часа). Люминесценция кристаллических полупроводников и диэлектриков. Типы люминесценции, внутрицентровая и рекомбинационная люминесценция. Центры люминесценции, примесная люминесценция, спектры люминесценции, стоксов сдвиг, модель потенциальных кривых центра люминесценции, тушение люминесценции (2 часа). Рекомбинационная люминесценция. Релаксация люминесценции, кинетика затухания первого и второго порядка (2 часа). Ловушки захвата и рекомбинации носителей заряда, классификация, демаркационные уровни, центры окраски. Релаксация рекомбинационной люминесценции при наличии ловушек захвата и рекомбинации, зависимость от температуры, температурная стимуляция рекомбинационной люминесценции (2 часа). Методы определения параметров ловушек носителей заряда, люминесцентные методы, метод термостимулированной люминесценции, информативность метода (1 час).
Контрольно-измерительные материалы
Контрольные задания по курсу «Физика полупроводников и диэлектриков»
- Классификация дефектов.
- Расчет концентрации дефектов.
- Диффузия дефектов, законы Фика.
- Подвижность. Уравнение Нернста-Эйнштейна. Метод радиоактивных изотопов.
- Ионная проводимость. Температурная зависимость проводимости. Энергия активации.
- Изотермы относительной проводимости.
- Поляризация диэлектриков в постоянном электрическом поле.
- Локальное поле. Поле Лоренца.
- Уравнение Клаузиуса-Моссотти. Поляризуемость.
- Поляризация полярного газа и полярной жидкости.
- Поляризация твердого ионного диэлектрика.
- Поляризация диэлектриков в переменном электрическом и синусоидальном поле.
- Диэлектрические потери. Формулы Дебая.
- Комплексная диэлектрическая проницаемость. Схемы замещения.
- Диэлектрические потери при наличии нескольких времен релаксации.
- Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках.
- Функция распределения Ферми-Дирака. Концентрация электронов и дырок в полупроводниках.
- Рассеяние носителей заряда в кристаллах
- Кинетические явления в твердых телах. Классификация.
- Кинетическое уравнение Больцмана.
- Время релаксации. Кинетические коэффициенты.
- Электропроводность полупроводников. Подвижность носителей заряда.
- Гальвано - магнитные эффекты. Эффект Холла. Магниторезистивный эффект.
- Термоэлектрические эффекты. Эффекты Зеебека и Томсона. Теплопроводность.
- Неравновесные носители заряда. Функция распределения. Квазиуровни Ферми. Генерация носителей
- Рекомбинация носителей заряда. Виды рекомбинации.
- Люминесценция кристаллических полупроводников и диэлектриков. Типы люминесценции.
- Рекомбинационная люминесценция. Релаксация люминесценции.
- Ловушки захвата и рекомбинация носителей заряда. Классификация. Релаксация рекомбинационной люминесценции.
- Люминесцентные методы. Метод термостимулированной люминесценции.
Задачи по курсу «Физика полупроводников и диэлектриков»
- Вычислить вектор поляризации данного газа. Известны масса, дипольный момент его молекул при нормальных условиях. Газ помещен в плоский конденсатор с известной площадью пластин, расстояние между пластинами d, поле в конденсаторе напряженностью Е.
- Рассчитать концентрацию релаксаторов при данной температуре для кубического ионного кристалла, если известны его диэлектрическая проницаемость, оптический показатель преломления и размер диполя.
- Рассчитать концентрацию дефектов по Френкелю для микрокристалла хлорида серебра определенного размера, имеющего ГЦК решетку с известной постоянной, при определенной температуре, (в какой подрешетке образуются дефекты по Френкелю, как подсчитать число узлов и межузельных положений?). Энергия образования пары дефектов - 1,42 эВ.
- Из предложенных экспериментальных данных построить зависимости мнимой и действительной части диэлектрической проницаемости от логарифма частоты, зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости от действительной. Найти значение частоты максимума диэлектрических потерь, статическую и оптическую диэлектрическую проницаемость.
- Энергия активации диффузии равна - 0,87 эВ, Do = 0,02 см2/с. Рассчитать подвижность и ионную проводимость 50 мг заряженных ионов натрия при температуре 300 К.
- Диэлектрическая проницаемость воды при температуре 0°С равна 88, дипольный момент молекулы - 1,87 Д.
Вопросы к зачету по курсу «Физика полупроводников и диэлектриков»
- Классификация дефектов.
- Расчет концентрации дефектов.
- Диффузия дефектов, законы Фика.
- Подвижность. Уравнение Нернста-Эйнштейна. Метод радиоактивных изотопов.
- Ионная проводимость. Температурная зависимость проводимости. Энергия активации.
- Изотермы относительной проводимости.
- Поляризация диэлектриков в постоянном электрическом поле.
- Локальное поле. Поле Лоренца.
- Уравнение Клаузиуса-Моссотти. Поляризуемость.
- Поляризация полярного газа и полярной жидкости.
- Поляризация твердого ионного диэлектрика.
- Поляризация диэлектриков в переменном электрическом и синусоидальном поле.
- Диэлектрические потери. Формулы Дебая.
- Комплексная диэлектрическая проницаемость. Схемы замещения.
- Диэлектрические потери при наличии нескольких времен релаксации.
- Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках.
- Функция распределения Ферми-Дирака. Концентрация электронов и дырок в полупроводниках.
- Рассеяние носителей заряда в кристаллах
- Кинетические явления в твердых телах. Классификация.
- Кинетическое уравнение Больцмана.
- Время релаксации. Кинетические коэффициенты.
- Электропроводность полупроводников. Подвижность носителей заряда.
- Гальвано - магнитные эффекты. Эффект Холла. Магниторезистивный эффект.
- Термоэлектрические эффекты. Эффекты Зеебека и Томсона. Теплопроводность.
- Неравновесные носители заряда. Функция распределения. Квазиуровни Ферми. Генерация носителей
- Рекомбинация носителей заряда. Виды рекомбинации.
- Люминесценция кристаллических полупроводников и диэлектриков. Типы люминесценции.
- Рекомбинационная люминесценция. Релаксация люминесценции.
- Ловушки захвата и рекомбинация носителей заряда. Классификация. Релаксация рекомбинационной люминесценции.
- Люминесцентные методы. Метод термостимулированной люминесценции.
Рекомендуемая литература:
- Сканави Г.И.. Физика диэлектриков (область слабых полей). – Л.: ГИТТЛ, 1949. – 500 с.
- Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков.- М.: Энергия, 1965. – 342 с.
- Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. – Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1979. – 240 с.
- Воробьев Г.А. Физика диэлектриков, область сильных полей. – Томск: Изд-во Томского ун-та, 1977.
- Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. - М.: Высшая школа, 1977. – 448 с.
Рекомендуемая литература (дополнительная):
- Сканави Г.И.. Физика диэлектриков (область сильных полей). – М.: ГИФМЛ, 1958. – 908 с.
- Губкин А.Н. Физика диэлектриков. – М.: Высшая школа, 1971. – 272 с.
- Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. – М.: Энергоиздат, 1982. – 320 с.
- Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. – М.: Радио и связь. – 1989.
- Солимар Р., Уолш Д. Лекции по электрическим свойствам материалов. – М.: Мир, 1991. – 504 с.
- Воробьев Г.А. Свойства диэлектриков. – Томск: Изд-во ТУСУР, 2002. – 127 с.
Дополнения и изменения к рабочей программе по курсу
«Физика полупроводников и диэлектриков»