Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессио- нального образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
___________ В.В. Лопатин
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ»
НАПРАВЛЕНИЕ ООП 200400 ОПТОТЕХНИКА
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) МАГИСТР
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС_I_СЕМЕСТР_ II__
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ_6_
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Электротехника», «Математические методы и моделирование в оптотехнике»
КОРЕКВИЗИТЫ: «Методы и техника регистрации оптических процессов»,
«Методы спектрального анализа».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
Лабораторные занятия
Практические занятия
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
____18_____
____0_____
____54_____
____72____
____108_____
____180____
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ОЧНАЯ
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Лазерной и световой техники Институт физики высоких технологий
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
д. ф.-м.н., профессор В.Ф.Штанько
2011 г.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью изучения дисциплины является подготовка специалиста обладающего
знаниями современного состояния физики конденсированного состояния вещества. Прежде всего, это касается исследований кристаллов и неупорядоченных
материалов – полупроводников, металлов и диэлектриков. Курс предназначен
дать представление об основных понятиях и идеях современной физики конденсированного состояния вещества, подготовить студентов к самостоятельному изучению оригинальных работ в данной области, выполнению технологических задач, овладению методами решения задач по физике твердого тела, методами постановки физического эксперимента.
После изучения курса «Физика конденсированного состояния» студент
должен знать:
- фундаментальные понятия, законы и теорию физики конденсированного состояния;
- тепловые свойства твердых тел;
- электронные состояния в твердых телах;
- оптические свойства твердых тел (полупроводников, диэлектриков);
- контактные явления;
- приемы решения конкретных задач по разделам дисциплины.
Владеть:
1. Методами и техникой импульсных оптикофизических исследований свойств
материалов;
2. приемами решения конкретных задач;
3.владеть методами проведения экспериментов и обработки результатов.
Задача изучения дисциплины - повышение теоретических знаний и практических навыков в экспериментальной деятельности, связанных с использованием твердых тел и методов исследования и модифицирования их свойств.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
Девятый семестр (18 час.)
Раздел 1. Силы связи в твердых телах
Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: ван-дер-ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь.
Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с ненаправленным
взаимодействием. Примеры кристаллических структур, отвечающих плотным
упаковкам шаров: простая кубическая, ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl,
типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями. Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
Раздел 2. Симметрия твердых тел
Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность.
Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера –
Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна. Элементы симметрии
кристаллов: повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.Элементы теории групп, группы
симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток
Браве.
Раздел 3. Дефекты в твердых телах
Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки.
Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.
Раздел 4. Дифракция в кристаллах
Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности.
Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в
аморфных веществах.
Раздел 5. Колебания решетки
Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и
сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электронфононное взаимодействие.
Раздел 6. Тепловые свойства твердых тел
Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической физике. Границы справедливости
классической теории.
Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные случаи
высоких и низких температур. Температура Дебая.
Тепловое расширение твердых тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания.
Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для
электронной теплоемкости и теплопроводности.
Раздел 7. Электронные свойства твердых тел
Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоЭДС, фотопроводимость, оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде.
Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана.
Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические зоны.
Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый
спектр энергии.
Приближение сильносвязанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных
эффективных масс.
Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов.
Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность
состояний. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
Контактные явления. Потенциальные барьеры. Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Контакт металл-металл. Контакт металл-полупроводник.
pn - переход. Гомо- и гетеропереходы. Принцип действия светодиодов и инжекционных лазеров.
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (темы) (18 ч)
Целью практических занятий является усвоение и закрепление содержания теоретических разделов дисциплины, приобретение навыков решения типовых задач. Решение задач проводится по следующим темам:
1. Структура кристаллов
2. Химические связи и энергия решетки
3. Упругость кристаллов
4. Электронная теория металлов
5. Зонная структура кристаллов.
6. Полупроводники
7. Контактные явления. Потенциальные барьеры. Работа выхода
8. Точечные дефекты. Диффузия в твердых телах.
9. Неупорядоченные материалы. Атомная структура.
ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ (126 часов)
Вторая половина рабочего дня (3-4 часа) посвящена самостоятельной
практической работе магистрантов под наблюдением руководителя.
Индивидуальная работа со студентами проводится по следующим
направлениям :
1. Выполнение индивидуальных заданий. (Работа в библиотеке). Индивидуальное задание заключается в написании студентами рефератов по темам,
подобранные в соответствии с программой теоретической части курса. Индивидуальное задание должно быть выполнено и публично защищено в запланированное время во вторую половину рабочего дня.
2. Проработка теоретического материала. (Работа в библиотеке). Проработка вопросов теоретической части курса, вынесенных на самостоятельную
проработку. Подготовка к теоретическим коллоквиумам. Теоретический коллоквиум должен быть сдан в часы, предусмотренные календарным планом
аудиторных занятий.
3. Решение задач, выносимых на самостоятельную проработку.
Прежде всего, это решение задач с использованием вычислительной техники,
изучение стандартных компьютерных программ, компьютерное моделирование.
1. Текущая проработка теоретического материала лекций.
62 час.
2. Подготовка к теоретическим коллоквиумам
18 час.
3. Написание рефератов
22 час.
4. Решение задач на компьютерах
24 час.
ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Девятый семестр.
1. Текущий контроль изучения теоретических разделов дисциплины осуществляется в виде двух коллоквиумов в течение семестра. Способ оценки знаний: коллоквиум проводится, как правило, по 3-4 разделам курса и оценивается по рейтинговой системе (максимальный балл за коллоквиум определяется объемом материала разделов, включенных в коллоквиум). Вопросы теоретического коллоквиума выдаются студентам заранее. Коллоквиум должен
быть сдан с оценкой не ниже “удовлетворительно”, в противном случае студенту рекомендуется повторная подготовка и сдача во внеурочное время.
Проверка регулярности работы по выполнению задания по реферату и консультации осуществляются во время трех контрольных точек в течение семестра. Защита реферата после проверки его ведущим преподавателем проводится на групповом занятии в виде доклада (10-15 мин.) и ответов на вопросы. Работа по реферату оценивается баллом согласно рейтинг-плана по
дисциплине.
2. Экзамен. Цель контроля: проверка знаний и умений по дисциплине. Способы
оценки знаний и умений: оценка знаний и умений производится по пятибальной системе. С вопросами, включенными в экзаменационные билеты,
студенты знакомятся заранее. Для проверки степени подготовки к экзамену
студенты имеют возможность проведения самоконтроля. Примеры контрольных заданий приведены в приложении программы.
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ
ПОДГОТОВКИ
Вопросы по разделам:
Силы связи в твердых телах. Симметрия твердых тел
1. С какой силой взаимодействуют между собой соседние ионы цезия и хлора в
кристалле хлористого цезия ?
2. Сколько атомов содержится в каждой элементарной ячейке кристалла, если
она является: а) простой; б) объемно центрированной; в) гранецентрированной кубической ячейкой?
3. Сколько атомов приходится на одну элементарную ячейку в кристаллах с
простой, объемоцентрированной и гранецентрированной кубической структурой?
4. Сколько атомов приходится на одну элементарную ячейку в кристаллах с
простой и плотноупакованной гексагональной структурой?
5. Показать, что для идеальной гексагональной структуры с плотной упаковкой
с/а = 1,633.
6. Доказать, что направление [hkl] в кубической решетке нормально к плоскости
(hkl).
7. Какие плоскости в структуре гранецентрированного куба и объемноцентрированного куба имеют наибольшую плотность упаковки атомов? В каких
направлениях в этих плоскостях линейная плотность расположения атомов
максимальна?
Колебания решетки. Тепловые свойства твердых тел
1. Вычислить минимальную длину волны Дебая в титане, если его характеристическая температура 5° С, а скорость распространения звука
6103 мc-1.
2. Какова максимальная энергия фононов в кристалле свинца, если характеристическая температура его 94 К?
3. Какова удельная теплоемкость цинка при 100° С?
4. Удельная теплоемкость алюминия при 20° С равна 840 Джкг-1К-1. Выполняется ли при этой температуре для него закон Дюлонга и Пти?
5. Вычислить удельную теплоемкость алмаза при температуре 30К.
Электронные свойства твердых тел
1. Как образуются зоны разрешенных энергий электронов в кристаллах?
2. Каковы длины волн де Бройля для электрона, движущегося у верхнего или
нижнего края свободной зоны?
3. В чем смысл адиабатического и одноэлектронного приближений при решении уравнения Шредингера для электрона в кристалле? Вид волновой функции и энергии в рамках этих приближений.
4. Что такое зона Бриллюэна? Сформулируйте правило построения зон Бриллюэна.
5. Сущность приближений почти свободных и почти связанных электронов. Ка-
кие основные выводы можно сделать из решения уравнения Шредингера
этими методами. Какие еще методы решения вы знаете?
6. Чем отличаются зонные схемы для полупроводников, диэлектриков и металлов?
7. Перечислите различные типы локальных уровней энергии электронов в запрещенной зоне.
8. Что понимается под идеальной кристаллической решеткой? Как идеальная
решетка воздействует на движение электрона по кристаллу?
9. Эффективная масса электрона в кристалле. Ее физический смысл.
10. Связь эффективной массы с кривизной изоэнергетической поверхности,
скоростью и квазиимпульсом
11. Понятие полупроводника, металла, диэлектрика в зонной теории.
12. Что такое водородоподобная модель примесных состояний?
13. В кристалле кремния массой 120 г равномерно по объему распределены
25,7μкг фосфора и 38,2  кг галлия. Считая, что атомы примеси полностью
ионизированы, вычислить удельное сопротивление кристалла.
14. Объясните, как вычисляется концентрация электронов в зоне проводимости
собственного полупроводника или диэлектрика. Какова зависимость этой
концентрации от температуры?
15. Как влияет температура на концентрацию свободных электронов в примесном полупроводнике?
16. Сопротивление кристалла PbS при температуре 20°С равно 104 Ом. Определить его сопротивление при температуре +80° С.
17. Каковы особенности заполнения электронами локальных уровней в запрещенной зоне?
18. Вычислите плотность тока термоэлектронной эмиссии j (при равном нулю
электрическом поле) для вольфрама при температуре 2500К.
Контактные явления
19. Начертите зонную схему, соответствующую контакту металл - полупроводник n-типа для случая, когда термодинамическая работа выхода электрона из
полупроводника больше, чем из металла.
20. Чем объясняется искривление энергетических зон у поверхности полу проводника?
21. Что такое дебаевская длина экранирования?
22. Чем определяется контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником?
23. Почему при контакте металла и полупроводника контактное поле в основном проникает в полупроводник и практически не проникает в металл?
24. Понятие запирающих и антизапирающих слоев. Толщина запирающего
слоя.
25. Почему происходит выпрямление на контакте металл—полупроводник?
26. Пользуясь зонной схемой, объясните, как работает транзистор р-п-р - типа.
27. Каковы зонные схемы приповерхностной области полупроводника п-типа в
случае образования обедненного, инверсионного, обогащенного слоев?
28. Что такое р - п переход?
29. ВАХ р - п перехода.
30. Характеризуйте омический контакт. Какие вам известны типы контактов?
31. Гетеропереходы.
32. Условие усиления излучения в полупроводниках для межзонных переходов.
33. Принцип действия светодиодов и полупроводниковых лазеров.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989
Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988
Павлов П.В., Хохлов А.Ф., Физика твердого тела, Москва, ВШ. 2000
Киреев П.С. Физика полупроводников. Учебн. пособие для втузов. М:,
«Высшая школа», 1975
5. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела, М:. Мир. 1969
6. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков, М:, «Высшая
школа», 1975
7. Левич В.Г. Курс теоретической физики, Том 1, Москва «Наука», 1969
8. Мотт Н., Герни Р. Электронные процессы в ионных кристаллах. М.: ИЛ.
1950
9. Медведев С.А. Введение в технологию полупроводниковых материалов,
М., «Высшая школа», 1970
10.Фистуль В.И. Сильно легированные полупроводники. М.: Наука, 1965.
11.Жирифалько Л., Статистическая физика твердого тела, М:. Мир. 1975
12.Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А.
Физика твердого тела, Уч. пособ. Для втузов, М.: Высш.шк., 2001-237с.
13.Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир. т.т.1,2.1982
14.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г., Физика полупроводников М.:
Наука, 1977
15.Спроул Р. Современная физика. Квантовая физика атомов, твердого тела
и ядер. - М.: Наука, 1974.
1.
2.
3.
4.
16.Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергия, 1971.
17.Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. -Л.:
Наука, 1972.
18.Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник.
- М.: Мир, 1975.
19.Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат,
1982.
20.Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. - М.: Высш.
школа, 1976.
21.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. -М.:
Высш. школа, 1986.
22.Гурвич А.М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. М.:Высш.шк, 1982.
23.Физическое металловедение / Под ред. Р.Кана. - М.: Мир, т. 1, 1967,т. 2 и
3, 1968.
24.Булярский С.В., Фистуль В.И. Термодинамика и кинетика взаимодействующих дефектов в полупроводниках. - М.: Наука, 1997.
25.Гусев А.И., Ремпель А.А., Нанокристаллические материалы Москва,
Физматлит, 2001.