Программа вступительных испытаний в магистратуру по направлению 011200.68 «Физика»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Ректор

ФГБОУ ВПО Пензенский

Государственный университет

__________________

«___»__________2012

ПРОГРАММА

ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ В МАГИСТРАТУРУ

по направлению 011200.68 «Физика»

2012 г.

Программа разработана на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавра 010700.62 – «Физика»  (рег. номер 176 ен/бак), Москва, 2000 г.

Автор: заведующий кафедрой «Физика,

д. ф.-м. н., профессор

"_____"______________ 2010 г

Программа рассмотрена на заседании кафедры «Физика»

« 30 » апреля 2010 г, протокол

Заведующий кафедрой «Физика,

д. ф.-м. н., профессор

"____"_____________ 2010 г.

Программа утверждена деканом факультета естественных наук, нанотехнологий и радиоэлектроники

Декан ФЕНР д. т.н., профессор

"____"____________ 2010 г.

1. Общая характеристика направления

011200ФИЗИКА

Настоящая программа подготовлена на основе требований государственного образовательного стандарта по направлению подготовки бакалавра 010700.62 «Физика» дисциплины СД.02 «Физика твердого тела».

Программа предназначена для лиц, имеющих диплом бакалавра или диплом специалиста.

Подготовка магистров в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет » ведется на кафедре «Физика» по программе - 510403 – «Физика конденсированного состояния вещества».

Содержание программы: Строение и свойства кристаллических и неупорядоченных структур при различных физических условиях. Взаимодействия с электромагнитными полями и потоками частиц. Экспериментальное изучение строения вещества, его физических характеристик и фундаментальных эффектов и явлений в веществе. Технология получения веществ с заданными физическими свойствами. Современные теоретические представления и математические методы" href="/text/category/instrumentalmznie_i_matematicheskie_metodi/" rel="bookmark">математические методы исследований в физике вещества. Практика научной работы.

В учебный план магистра включены подготовка и сдача экзаменов кандидатского минимума по философии и иностранному языку.

Область профессиональной деятельности магистра по направлению 011200.68 «Физика» (код по ОКСО – 510400) направлена на исследование и изучение структуры и свойств природы на различных уровнях ее организации от элементарных частиц до Вселенной, полей и явлений, лежащих в основе физики, на освоение новых методов исследований основных закономерностей природы.

Объектами профессиональной деятельности магистра являются:

– учреждения системы высшего и среднего специального образования;

– лаборатории, научно-исследовательские институты;

– конструкторские и проектные бюро и фирмы;

– производственные предприятия и объединения.

Виды профессиональной деятельности – магистр физик может работать в должностях, предусмотренных законодательством Российской Федерации для лиц, имеющих высшее профессиональное образование:

– старшим лаборантом;

– младшим научным сотрудником;

– инженером НИИ: инженер-физик, инженер-технолог, инженер-конструктор;

– преподавателем средней школы;

– преподавателем среднего профессионального учреждения;

– преподавателем вуза.

Магистр физики подготовлен к обучению в аспирантуре преимущественно по научным специальностям в следующих научных областях: физико-математических наук, биологических наук, геолого-минералогических наук и по другим, близким по профилю, научным специальностям:

01.04.10 – «Физика полупроводников»;

01.04.07 – «Физика конденсированного состояния»;

01.04.05 – «Оптика»;

05.11.01 – «Приборы и методы измерения».

2. Содержание программы вступительного экзамена

СД.00. Специальные дисциплины.

СД.02 – «Физика твердого тела - основы физики полупроводников»:

1. Полупроводники. Элементарная теория электропроводности.

1.1. Классификация веществ по удельной электрической проводимости. Проводники и полупроводники.

1.2. Модельные представления о механизме электропроводности собственных полупроводников.

1.3. Модельные представления о механизме электропроводности примесных полупроводников.

1.4. Элементарная теория электропроводности полупроводников.

2. Основы зонной теории полупроводников.

2.1. Уравнение Шредингера для кристалла.

2.2. Адиабатическое приближение и валентная аппроксимация.

2.3. Одноэлектронное приближение.

2.4. Приближение сильно связанных электронов.

2.5. Число состояний электронов в энергетической зоне.

2.6. Квазиимпульс.

2.7. Зоны Бриллюэна.

2.8. Возможное заполнение электронных состояний валентной зоны.

2.9. Зависимость энергии электрона от волнового вектора у дна и потолка энергетической зоны.

2.10. Движение электронов в кристалле под действием внешнего электрического поля.

2.11. Эффективная масса носителей заряда.

2.12. Циклотронный резонанс.

2.13. Зонная структура некоторых полупроводников.

2.14. Метод эффективной массы.

2.15. Элементарная теория примесных состояний.

3. Колебания атомов кристаллической решетки.

3.1. Одномерные колебания однородной струны.

3.2. Колебания одноатомной линейной цепочки.

3.3. Энергия колебаний атомов одномерной решетки. Нормальные координаты.

3.4. Колебания двухатомной линейной цепочки.

3.5. Колебания атомов трехмерной решетки.

3.6. Статистика фононов.

3.7. Теплоемкость кристаллической решетки.

3.8. Термическое расширение и тепловое сопротивление твердого тела.

4. Статистика электронов и дырок в полупроводниках.

4.1. Плотность квантовых состояний.

4.2. Функция распределения Ферми—Дирака.

4.3. Степень заполнения примесных уровней.

4.4. Концентрации электронов и дырок в зонах.

4.5. Примесный полупроводник.

4.6. Собственный полупроводник.

4.7. Зависимость уровня Ферми от концентрации примеси и температуры для невырожденного полупроводника.

4.8. Зависимость уровня Ферми от температуры для невырожденного полупроводника с частично компенсированной, примесью.

4.9. Примесные полупроводники при очень низких температурах.

4.10. Некристаллические полупроводники.

5. Рассеяние электронов и дырок в полупроводниках.

5.1. Механизмы рассеяния электронов и дырок.

5.2. Кинетическое уравнение Больцмана.

5.3. Равновесное состояние.

5.4. Время релаксации.

5.5. Рассеяние на ионах примеси.

5.6. Рассеяние на атомах примеси и дислокациях.

5.7. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки.

6. Кинетические явления в полупроводниках.

6.1. Неравновесная функция распределения.

6.2. Удельная электрическая проводимость полупроводников.

6.3. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры.

6.4. Эффект Холла.

6.5. Эффект Холла в полупроводниках с двумя типами носителей заряда.

6.6. Магниторезистивный эффект.

6.7. Термоэлектрические явления.

6.8. Теплопроводность полупроводников.

6.9. Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле.

6.10. Эффект Ганна.

6.11. Ударная ионизация.

6.12. Туннельный эффект и электростатическая ионизация.

7. Генерация и рекомбинация электронов и дырок.

7.1. Равновесные и неравновесные носители заряда.

7.2. Биполярная оптическая генерация носителей заряда.

7.3. Монополярная оптическая генерация носителей заряда. Максвелловское время релаксации.

7.4. Механизмы рекомбинации.

7.5. Межзонная излучательная рекомбинация.

7.6. Межзонная ударная рекомбинация.

7.7. Рекомбинация носителей заряда через ловушки.

7.8. Температурная зависимость времени жизни носителей заряда при рекомбинации через ловушки.

7.9. Центры захвата и рекомбинационные ловушки.

8. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда.

8.1. Уравнение непрерывности.

8.2. Диффузионный и дрейфовый токи.

8.3. Соотношение Эйнштейна.

8.4. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в случае монополярной проводимости.

8.5. Диффузия и дрейф неосновных избыточных носителей заряда в примесном полупроводнике.

8.6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике с проводимостью, близкой к собственной.

9. Контактные явления в полупроводниках.

9.1. Полупроводник во внешнем электрическом поле.

9.2. Термоэлектронная работа выхода.

9.3. Контакт металл—металл. Контактная разность потенциалов.

9.4. Контакт металл—полупроводник.

9.5. Выпрямление тока в контакте металл—полупроводник.

9.6. Диодная теория выпрямления тока.

9.7. Диффузионная теория выпрямления тока.

9.8. Контакт электронного и дырочного полупроводников.

9.9. Выпрямление тока в р-п переходе.

9.10. Теория тонкого р-п перехода.

9.11. Гетеропереходы.

9.12. Контакт вырожденных электронного и дырочного полупроводников. Туннельный диод.

9.13. Омический переход.

10. Поверхностные явления в полупроводниках.

10.1. Природа поверхностных уровней.

10.2. Теория слоя пространственного заряда.

10.3. Эффект поля.

10.4. Скорость поверхностной рекомбинации.

10.5. Влияние поверхностной рекомбинации на время жизни носителей заряда в образцах конечных размеров.

11. Поглощение света полупроводниками.

11.1. Спектр отражения и спектр поглощения.

11.2. Собственное поглощение при прямых переходах.

11.3. Собственное поглощение при непрямых переходах.

11.4 Поглощение сильно легированного и аморфного полупроводников.

11.5 Влияние внешних воздействий на собственное поглощение полупроводников.

11.6. Экситонное поглощение.

11.7. Поглощение свободными носителями заряда.

11.8. Примесное поглощение.

11.9. Решеточное поглощение.

12. Люминесценция полупроводников.

12.1. Типы люминесценции.

12.2. Мономолекулярное свечение твердых тел.

12.3. Рекомбинационное излучение полупроводников при фундаментальных переходах.

12.4. Рекомбинационное излучение при переходах между зоной и примесными уровнями.

12.5. Релаксация люминесценции полупроводников.

12.6. Температурное тушение люминесценции полупроводников.

12.7. Спонтанное и вынужденное излучение атома.

12.8. Стимулированное излучение твердых тел.

13. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.

13.1. Внутренний фотоэффект.

13.2. Фотопроводимость.

13.3. Релаксация фотопроводимости.

13.4. Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации и диффузии носителей заряда.

13.5. Эффект Дембера.

13.6. Фотоэлектромагнитный эффект.

13.7. Фотоэффект в р-п переходе.

13.8. Фотоэффект на барьере Шоттки.

13.9. Внешний фотоэффект.

3. Вопросы к вступительному экзамену в магистратуру по направлению

011200.68 – «Физика» по дисциплине «Физика полупроводников»

1.  Модельные представления о механизме электропроводности собственных полупроводников

2.  Модельные представления о механизме электропроводности примесных полупроводников.

3.  Элементарная теория электропроводности полупроводников.

4.  Основы зонной теории полупроводников. Уравнение Шредингера для кристалла.

5.  Адиабатическое приближение и валентная аппроксимация. Одноэлектронное приближение.

6.  Приближение сильно связанных электронов. Число состояний электронов в энергетической зоне.

7.  Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна.

8.  Возможное заполнение электронных состояний валентной зоны.

9.  Движение электронов в кристалле под действием внешнего электрического поля. Эффективная масса носителей заряда.

10.  Зонная структура некоторых полупроводников. Метод эффективной массы.

11.  Колебания атомов кристаллической решетки - одномерные колебания однородной струны, колебания одноатомной линейной цепочки, колебания атомов трехмерной решетки.

12.  Статистика фононов. Теплоемкость кристаллической решетки. Термическое расширение и тепловое сопротивление твердого тела.

13.  Плотность квантовых состояний в полупроводниках. Функция распределения Ферми—Дирака. Степень заполнения примесных уровней.

14.  Концентрации электронов и дырок в зонах. Примесный полупроводник.

15.  Собственный полупроводник

16.  Зависимость уровня Ферми от концентрации примеси и температуры для невырожденного полупроводника.

17.  Механизмы рассеяния электронов и дырок в полупроводниках. Кинетическое уравнение Больцмана. Равновесное состояние. Время релаксации.

18.  Рассеяние на ионах примеси, на атомах примеси и дислокациях, на тепловых колебаниях решетки.

19.  Удельная электрическая проводимость полупроводников. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры.

20.  Эффект Холла в полупроводниках с двумя типами носителей заряда.

21.  Магниторезистивный эффект. Термоэлектрические явления. Теплопроводность полупроводников.

22.  Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле.

23.  Эффект Ганна. Ударная ионизация. Туннельный эффект и электростатическая ионизация.

24.  Генерация и рекомбинация электронов и дырок. Равновесные и неравновесные носители заряда.

25.  Биполярная оптическая генерация носителей заряда. Монополярная оптическая генерация носителей заряда.

26.  Межзонная излучательная рекомбинация. Межзонная ударная рекомбинация. Температурная зависимость времени жизни носителей заряда при рекомбинации через ловушки.

27.  Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда. Уравнение непрерывности. Диффузионный и дрейфовый токи. Соотношение Эйнштейна.

28.  Контактные явления в полупроводниках. Термоэлектронная работа выхода. Контакт металл—полупроводник. Выпрямление тока в контакте металл—полупроводник.

29.  Диодная теория выпрямления тока. Диффузионная теория выпрямления тока.

30.  Теория тонкого р-п перехода. Гетеропереходы. Контакт вырожденных электронного и дырочного полупроводников. Туннельный диод.

31.  Природа поверхностных уровней в полупроводниках. Теория слоя пространственного заряда. Эффект поля. Скорость поверхностной рекомбинации.

32.  Поглощение света полупроводниками. Спектр отражения и спектр поглощения.

33.  Собственное поглощение при прямых переходах. Собственное поглощение при непрямых переходах.

34.  Экситонное поглощение. Поглощение свободными носителями заряда. Примесное поглощение. Решеточное поглощение.

35.  Люминесценция полупроводников. Типы люминесценции. Мономолекулярное свечение твердых тел.

36.  Рекомбинационное излучение полупроводников при фундаментальных переходах. Рекомбинационное излучение при переходах между зоной и примесными уровнями. Релаксация люминесценции полупроводников.

37.  Температурное тушение люминесценции полупроводников. Спонтанное и вынужденное излучение атома. Стимулированное излучение твердых тел.

38.  Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость. Релаксация фотопроводимости.

39.  Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации и диффузии носителей заряда. Эффект Дембера. Фотоэлектромагнитный эффект.

40.  Фотоэффект в р-п переходе. Фотоэффект на барьере Шоттки. Внешний фотоэффект.

4. Рекомендуемая литература.

1. , Осауленко твердого тела для инженеров: Учеб. пособие. М.: Техносфера, 2007 г.

2. , , Турчин физики твердого тела: Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство физ.-мат. лит., 2001 г. – 336 с.

3. Шалимова полупроводников: Учебник для вузов. – 4-е изд., стер. – С.-П.: Лань, 2009. – 400 с.

4. , Чиркин приборы. 9-е изд., стер. – С.-П.: Лань, 2009. – 480 с.

5. Ансельм в теорию полупроводников. 3-е изд., стер. – С.-П.: Лань, 2008. – 624 с.

6. , Цветков полупроводниковых приборов и диэлектрических материалов. 3-е изд., стер. – С.-П.: Лань, 2008. – 424 с.

7. Гуртов электроника: Учеб. пособие. – 2-е изд., доп. М.: Техносфера, 2005 гс.

8. Гаман полупроводниковых приборов: Учебн. Пособ. // . Томск: Издат. НТЛ, 2000 г. – 426 с.

9. Шишкин квантовой электроники.: Учеб. пос. для вузов. – М.: Сайнс-Пресс, 2004 г. – 80 с.

10. Протасов электроника // , , МГТУ им. Баумана, 2003 г. – 480 с.