Учебная программа Дисциплины р11 «Физика твердого тела» по направлению 011800 «Радиофизика» Нижний Новгород 2011 г
| Вид материала | Программа дисциплины |
- Учебная программа Дисциплины 02 «Оптимальная обработка сигналов» по направлению 011800, 182.9kb.
- Учебная программа Дисциплины р7 «Специальная теория относительности» по направлению, 98.91kb.
- Учебная программа Дисциплины б10 «Радиоэлектроника» по направлению 011800 «Радиофизика», 133.79kb.
- Учебная программа Дисциплины 08 «Численное моделирование в акустике и гидродинамике», 97.4kb.
- Учебная программа Дисциплины дс. 05 «Квантовая радиофизика» по специальности 010801, 162.47kb.
- Рабочая программа дисциплины «Физика твердого тела», 72.99kb.
- Основная образовательная программа высшего профессионального образования Направление, 4760.96kb.
- Рабочая программа дисциплины «теория представлений групп в физике твердого тела», 52.74kb.
- Учебная программа Дисциплины б6 «Физика» по специальности 090302 «Информационная безопасность, 378.25kb.
- Учебная программа Дисциплины р4 «Оптические методы диагностики биотканей» по направлению, 154.6kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра электроники
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины Б3.Р11 «Физика твердого тела»
по направлению 011800 «Радиофизика»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Цель курса - сформировать у студентов современное представление об основных физических процессах в твердых телах. Рассматриваются процессы, происходящие в металлах, диэлектриках и сверхпроводниках.
2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра
Дисциплина «Физика твердого тела» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика», преподается в 7 семестре.
Дисциплина «Физика твердого тела» базируется на следующих дисциплинах образовательной программы бакалавра по направлению «Радиофизика»: модули «Математика» и «Общая физика» базовой части цикла математических и естественнонаучных дисциплин, модуль «Теоретическая физика» базовой части профессионального цикла.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физика твердого тела» формируются следующие компетенции:
- способность собирать, обобщать и интерпретировать с использованием современных информационных технологий информацию, необходимую для формирования суждений по соответствующим специальным и научным проблемам (ОК-11);
- способность к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии (ОК-12);
- способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
- способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);
- способность понимать принципы работы и методы эксплуатации современной радиоэлектронной аппаратуры и оборудования (ПК-3);
- способность использовать основные методы радиофизических измерений (ПК-4);
- способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области и электроники (ПК-6).
При изучении курса студенты должны освоить следующие разделы:
- кристаллическая структура и зонная модель твердого тела,
- статистика электронов в твердом теле,
- колебания кристаллической решетки,
- электроны в периодическом потенциале,
- статистика носителей заряда в твердом теле,
- неравновесные явления в полупроводниках,
- явления на поверхности и границе раздела материалов,
- магнитные свойства твердых тел,
- сверхпроводимость.
Полученные в лекционном курсе знания используются студентами на практических занятиях для изучения режимов работы и возможностей применения полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.
| Виды учебной работы | Всего часов | Семестры |
| Общая трудоемкость дисциплины | 108 | 7 |
| Аудиторные занятия | 48 | 48 |
| Лекции | 32 | 32 |
| Практические занятия (ПЗ) | 16 | 16 |
| Семинары (С) | – | – |
| Лабораторные работы (ЛР) | – | – |
| Другие виды аудиторных занятий | – | – |
| Самостоятельная работа | 60 | 60 |
| Курсовой проект (работа) | – | – |
| Расчетно-графическая работа | – | – |
| Реферат | – | – |
| Другие виды самостоятельной работы | – | – |
| Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | зачет | зачет |
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
| № п/п | Раздел дисциплины | Лекции | ПЗ (или С) | ЛР |
| 1. | Кристаллическая структура твердого тела | 4 | 2 | |
| 2. | Колебания и волны в кристаллической решетке | 4 | 2 | |
| 3. | Электроны в периодическом потенциале | 4 | 2 | |
| 4. | Статистика носителей заряда | 4 | 2 | |
| 5. | Квазиклассическое описание движения носителей заряда | 4 | 2 | |
| 6. | Неравновесные явления в полупроводниках | 3 | 2 | |
| 7. | Процессы переноса в неоднородных полупроводниках | 3 | 2 | |
| 8. | Магнитные свойства твердых тел | 3 | 1 | |
| 9. | Сверхпроводимость | 3 | 1 | |
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Кристаллическая структура твердого тела
Кристаллические решетки. Элементарная ячейка. Симметрии. Решетки Браве. Кристаллографические направления. Области Дирихле. Обратная решетка. Индексы Миллера. Ячейка Вигнера-Зейтца. Зоны Бриллюэна. Рентгеноструктурный анализ кристаллов. Описание решетки кремния.
Раздел 2. Колебания и волны в кристаллической решетке
Колебания простой и сложной цепочки. Продольные и поперечные колебания. Решетка с одним атомом в ячейке. Решетка с несколькими атомами в ячейке. Законы дисперсии для трехмерной решетки. Акустические и оптические фононы. Теория теплоемкости Дюлонга-Пти. Квантовый подход к описанию кристаллов. Статика Бозе-Эйнштейна. Теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая.
Раздел 3. Электроны в периодическом потенциале
Уравнение Шредингера для периодического потенциала. Теорема Блоха. Модель Кронига-Пени. Зонная структура кристаллов: разрешенные и запрещенные зоны. Закон дисперсии. Классификация: металлы, диэлектрики, полупроводники. Классификация: ковалентные и ионные кристаллы. Свободные носители заряда: электроны и дырки. Эффективные массы электронов и дырок. Граничные условия Борна-Кармана. Плотность состояний
Раздел 4. Статистика носителей заряда
Функция Ферми и поверхность Ферми. Заселение состояний в металлах и диэлектриках. Электронная теплоемкость в металлах. Заселение состояний в полупроводниках. Уравнение электронейтральности. Уровень Ферми и концентрация носителей в собственных и примесных полупроводниках. Область истощения примесей. Основные и неосновные носители заряда. Управление проводимостью с помощью легирования
Раздел 5. Квазиклассическое описание движения носителей заряда
Свободное движение волнового пакета. Кинетическое уравнение Больцмана. Механизмы рассеяния носителей заряда: примесное рассеяние, рассеяние на акустических фононах, рассеяние на оптических фононах, рассеяние на дефектах, электрон-электронное рассеяние. Квазигидродинамическое приближение. Подвижность носителей. Циклотронный резонанс. Эффект Холла
Раздел 6. Неравновесные явления в полупроводниках
Разогрев электронного газа в полупроводниках. Время релаксации импульса и энергии. Фотоионизация и фотопроводимость. Механизмы рекомбинации носителей. Время жизни неравновесных носителей.
Раздел 7. Процессы переноса в неоднородных полупроводниках
Диффузия свободных носителей заряда. Ток диффузии и ток дрейфа. Возникновение внутреннего поля в неоднородном полупроводнике. Соотношение Эйнштейна. Система уравнений для описания потенциалов, полей и токов. Максвелловская релаксация в проводящей среде. Время жизни неосновных носителей заряда. Диффузионная длина.
Раздел 8. Магнитные свойства твердых тел
Магнитная восприимчивость и намагниченность. Энергия магнитного дипольного взаимодействия. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм. Антиферромагнетизм. Температура Кюри. Возникновение доменных структур.
Раздел 9. Сверхпроводимость
Нулевое сопротивление. Критическая температура. Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Поведение сверхпроводников в магнитном поле. Эффект Мейснера. Критические магнитные поля. Сверхпроводники 1 и 2 рода. Теория Гинзбурга-Ландау и параметр порядка. Квантование магнитного потока. Вихри Абрикосова. Туннельный эффект Джозефсона. Джозефсоновские контакты и Джозефсоновские вихри.
6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. Киттель Ч. "Элементарная физика твердого тела" Наука М. 1965
2. Займан Дж. "Принципы теории твердого тела" Мир, М., 1966
3. Орешкин П.Т. "Физика полупроводников и диэлектриков" Высш.школа М. 1977
4. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. "Физические основы функционирования изделий микроэлектроники" Микроэлектроника. Высшая школа, М., 1987
5. Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Энергия М. 1971
6. Смит Р. "Полупроводники" Мир, М., 1982
7. Фистуль В.И "Введение в физику полупроводников" Высшая школа, М., 1984
б) дополнительная литература:
8. Зеегер К. "Физика полупроводниковых приборов" Мир, М., 1977
11. Шалобутов Ю.К. "Введение в физику полупроводников" Наука, Л., 1969
13. Блатт Ф. "Физика электронной проводимости в твердых телах" Мир, М., 1971
14. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. "Физика полупроводниковых приборов" Наука, М., 1977
15. Киреев П.С. "Физика полупроводников" Высшая школа, М., 1969
16. Ансельм А.И. "Введение в теорию полупроводников" Наука М. 1978
8. Вопросы для контроля
1. Особенности кристаллической структуры твердых тел и правила построения ячейки Вигнера-Зейтца.
2. Причины возникновения зонной структуры твердых тел. Эффективная масса электронов и дырок.
3. Типы твердых тел: металлы, диэлектрики, полупроводники. Уровень Ферми. Собственная и примесная проводимость. Основные и неосновные носители заряда.
4. Акустические и оптические фононы. Продольные и поперечные колебания. Законы дисперсии для трехмерной решетки.
5. Кинетическое уравнение Больцмана и механизмы рассеяния электронов. Подвижность носителей заряда.
6. Разогрев электронного газа в полупроводниках. Время релаксации импульса и энергии
7. Фотоионизация и фотопроводимость. Механизмы рекомбинации носителей.
8. Диффузионный и дрейфовый ток. Соотношения Эйнштейна. Система уравнений для описания потенциалов, полей и токов. Время жизни и диффузионная длина неосновных носителей заряда.
9. Каковы магнитные свойства твердых тел?
10. Каковы сверхпроводящие свойства твердых тел?
9. Критерии оценок
| Зачтено | Удовлетворительное знание содержания курса. Студент может ответить на любой из контрольных вопросов. |
| Не зачтено | Неудовлетворительное знание содержания курса. Студент может ответить только на меньшую часть контрольных вопросов. |
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки.
Курсовые работы не предусмотрены.
Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 011800 «Радиофизика»
Автор программы _________________ Козлов В.А.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 06 апреля 2011 года протокол № 4
Заведующий кафедрой __________________ Гапонов С.В.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.