Программа дисциплины «Физика твердого тела»

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Факультет Электроники и телекоммуникаций

Программа дисциплины

«Физика твердого тела»

для специальности 210104.65 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» подготовки специалиста

Автор программы: доц., к. т.н. *****@***ru.

Одобрена на заседании кафедры "Элетроника и наноэлектроника" «___»____________ 20 г.

Зав. кафедрой ______________

Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»____________ 20 г.

Председатель __________________________

Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»_____________20 г.

Ученый секретарь________________________

Москва, 2012

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.

1. Цели и задачи дисциплины:

Цель преподавания дисциплины «Физика твердого тела» состоит в формировании систематических знаний об основных свойствах твердых тел, а также в изучении явлений и процессов в твердых телах, использующихся при разработке приборов твердотельной электроники. Задачи дисциплины состоят в:

• изучении классификации твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории;

• изучении основных электрических, оптических и магнитных свойств твердых тел;

• изучении контактных явлений в твердых телах;

• ознакомлении с современным научно-техническим уровнем развития физики твердого тела.

2. Место дисциплины в структуре ООП:

Данная дисциплина относится к базовой части Профессионального цикла (Б.3).

Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин «Физика» (2-4 семестры) и «Математика» (1-4 семестры). Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:

• способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяя методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);

• способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);

• способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);

• способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубжной науки, техники и технологии (ПК-6);

• готовностью анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций (ПК-21).

Дисциплина «Физика твердого тела»:

• имеет междисциплинарные связи с дисциплинами «Физика» (2-4 семестры)) и «Физика полупроводников» (5 семестр) и изучается в 6,7 семестрах;

• является предшествующей для изучения дисциплин «Спецглавы физики твердого тела» (7 семестр), «Твердотельная электроника» (7 семестр), «Квантовая и оптическая электроника» (8 семестр), «Микроэлектроника» (8 семестр).

3. Требования к результатам освоения дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование и закрепление следующих компетенций

• способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяя методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);

• способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);

• способностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математичекий аппарат (ПК-2);

• способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);

• готовностью анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций (ПК-21).

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать фундаментальные физические закономерности, определяющие свойства твердых тел;

уметь применять полученные знания для расчетов физических характеристик твердотельных материалов и теоретического анализа экспериментальных результатов;

владеть информацией о современном состоянии и методах исследований в области физики твердого тела.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы.

Виды учебной работы	Всего часов	Семестры
6	7
Общая трудоемкость дисциплины	191	105	86
Аудиторные занятия	136	85	51
Лекции (Л)	68	51	17
Практические занятия (ПЗ)	68	34	34
Самостоятельная работа	55	20	35
Курсовая работа		+
	Общее кол.	6 сем	7сем
Виды контроля:	домашние задания	3	2	1
контрольные работы	2	1	1
экзамен	2	1	1

5. Содержание дисциплины.

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

№ п/п	Раздел дисциплины	Л	ПЗ
1	Введение	*
2	Классификация твердых тел	*	*
3	Колебания кристаллической решетки. Фононы	*	*
4	Электронная проводимость металлов	*	*
5	Свойства диэлектриков	*	*
6	Оптические свойства кристаллов	*	*
7	Магнитные свойства кристаллов	*	*
8	Некристаллические твердые тела	*	*
9	Сверхпроводимость	*	*
10	Эмиссия электронов из твердых тел	*	*
11	Контактные явления в твердых телах	*	*

5.2. Содержание разделов дисциплины.

4.2.1. Введение (1 час)

Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития физики твердого тела. Связь дисциплины с другими разделами.

4.2.2. Классификация твердых часов)

Характер заполнения энергетических зон. Диэлектрики, полупроводники, металлы. Типы химических связей. Металлические, ионные, ковалентные, молекулярные кристаллы. Характеристика энергетических зон, распределение электронной плотности. Потенциалы межатомного взаимодействия. Ионные, ковалентные и атомные радиусы и пределы их применимости. Энергия связи кристаллической решетки.

4.2.3. Колебания кристаллической решетки. Фононы (6 часов)

Гармонические колебания кристаллической решетки. Нормальные моды. Спектр колебаний кристаллической решетки. Акустические и оптические колебания.

Квантовая теория колебаний кристаллической решетки. Фононы. Энергия и импульс фонона. Статистика фононов. Плотность фононных состояний. Теории теплоемкости кристаллической решетки (классическая, Энштейна и Дебая), температура Дебая.

Ангармонизм колебаний. Решеточная теплопроводность. Тепловое расширение твердых тел.

4.2.4. Электронная проводимость металлов (3 часов)

Энергетический спектр электронов в металлах. Приближение слабо связанных электронов. Ферми-поверхности металлов. Статистика электронов в металлах.

Особенности рассеяния электронов в металлах. Зависимость подвижности и электропроводности металлов от температуры. Правило Маттисена. Электропроводность металлических сплавов.

Электронная теплопроводность. Закон Видемана-Франца-Лоренца. Теплоемкость металлов.

4.2.5. Свойства диэлектриков (9 часов)

Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации, электрическое поле в диэлектрике. Основные механизмы поляризации диэлектриков. Микроскопическая теория поляризации. Локальное электрическое поле. Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость. Электронная, ионная, дипольная поляризация.

Сегнетоэлектрики. Спонтанная поляризация, сегнетоэлектрический фазовый переход. Доменная структура, гистерезис.

Поляризация в переменных электрических полях. Комплексная диэлектрическая проницаемость, механизмы диэлектрических потерь.

Механизмы электропроводности диэлектриков. Электропроводность в тонких диэлектрических пленках.

4.2.6. Оптические свойства кристаллов (9 часов)

Оптические константы вещества. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Комплексный показатель преломления. Соотношения Крамерса-Кронига.

Межзонные электронные переходы. Собственное оптическое поглощение, край собственного поглощения. Экситонные эффекты.

Поглощение на свободных носителях заряда, плазменные эффекты. Поглощение света в примесной области спектра.

Люминесценция. Механизмы излучательной рекомбинации. Фотоэлектрические эффекты. Оптическое поглощение на колебаниях кристаллической решетки. Однофононные и многофононные эффекты.

4.2.7. Магнитные свойства кристаллов (9 часов)

Магнитные моменты атомов и магнитные свойства твердых тел. Природа диамагнетизма. Диамагнетизм свободного электронного газа. Уровни Ландау.

Природа парамагнетизма. Теории парамагнетизма Ланжевена и Бриллюэна. Парамагнетизм Паули.

Природа ферромагнетизма. Магнитное упорядочение. Спонтанная намагниченность. Обменное взаимодействие. Спиновые волны. Ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики. Доменная структура, механизмы намагничивания, гистерезис.

Магнитные резонансы.

4.2.8. Некристаллические твердые часа)

Неупорядоченные системы. Ближний и дальний порядок. Энергетические состояния электронов в неупорядоченных твердых телах. Плотность состояний. Локализация Андерсена. Переход Андерсена. Порог подвижности.

Слабо неупорядоченные системы. Твердые растворы полупроводников. Зависимость зонной структуры от состава твердого раствора. Сильно легированные полупроводники. Хвосты плотности состояний.

4.2.9. Сверхпроводимость (9 часа)

Сверхпроводящее состояние. Идеальный диамагнетизм. Теория БКШ, куперовские пары. Энергетическая щель. Эффект Джозефсона. Критическое магнитное поле и критическая плотность тока. Глубина проникновения магнитного поля.

Сверхпроводники I и П рода. Высокотемпературные сверхпроводники.

4.2.10. Эмиссия электронов из твердых часа)

Работа выхода электрона из твердого тела. Влияние состояния поверхности на работу выхода.

Термоэлектронная эмиссия. Вывод формулы Ричардсона-Дешмана. Особенности термоэлектронной эмиссии из полупроводников. Вольт-амперная характеристика термокатода при малых плотностях тока эмиссии. Эффект Шоттки. Токи в вакууме, ограниченные пространственным зарядом, «закон степени 3/2».

Фотоэлектронная эмиссия.

4.2.11. Контактные явления в твердых телах (13 часов)

Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов.

Контакт металла с полупроводником. Энергетическая диаграмма контакта металл – полупроводник. Омический и выпрямляющий контакты. Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта.

Структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). Равновесная энергетическая диаграмма. Распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника. Напряжение плоских зон. Обогащение, обеднение и инверсия в полупроводнике. Дифференциальная емкость МДП–структуры. Низкочастотная, высокочастотная и неравновесная вольт-фарадные характеристики (ВФХ) МДП-структуры. Влияние контактной разности потенциалов между металлом и полупроводником, фиксированного заряда в диэлектрике и заряда ловушек границы раздела диэлектрик – полупроводник на ВФХ МДП-структур.

5.3. Понедельный план проведения занятий лекционных и практических.

5.3.1.6 семестр.

№недели	№ раздела лекционных занятий	Темы практических занятий
1	4.2.1, 4.2.2	Ионные, ковалентные, металлические и молекулярные кристаллы.
2	4.2.3.	Нормальные колебания кристаллической решетки. Дисперсионные зависимости. Акустические и оптические колебания.
3	4.2.3.	Энергия нормальных колебаний. Фононы. Зависимость концентрации и средней энергии фононов от температуры.
4	4.2.4.	Зависимость электропроводности металлов и сплавов от температуры.
5	4.2.5.	Поляризация диэлектриков.
6	4.2.5.	Поляризация в переменных электрических полях
7	4.2.5.	Механизмы электропроводности диэлектриков
8	4.2.6.	Оптические константы вещества. Соотношение Крамерса-Кронига
9	4.2.6.	Поглощение света в твердых телах.
10	4.2.6.	Люминесценция.
11	4.2.7.	Магнитные моменты атомов и магнитные свойства твердых тел.
12	4.2.7.	Природа диамагнетизма и парамагнетизма.
13	4.2.7.	Природа ферромагнетизма.
14	4.2.8.	Твердые растворы полупроводников.
15	4.2.9.	Сверхпроводящее состояние. Теория БКШ, куперовские пары.
16	4.2.9.	Идеальный диамагнетизм. Критическое магнитное поле и критическая плотность тока.
17	4.2.9.	Эффект Джозефсона.

5.3.2.7 семестр.

№ недели	№ раздела лекционных занятий	Темы практических занятий
1	4.2.10.	Работа выхода электронов из твердого тела.
2	4.2.10.	Термоэлектронная эмиссия. Вывод формулы Ричардсона-Дешмана.
3	4.2.10.	Вольт-амперная характеристика термокатода.
4	4.2.10.	Фотоэлектронная эмиссия.
5	4.2.11.	Контактные явления. Контактная разность потенциалов.
6	4.2.11.	Контакт метал – полупроводник. Омический и выпрямляющий контакты.
7	4.2.11.	Структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). Равновесная энергетическая диаграмма.
8	4.2.11.	МДП-структура. Распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника.
9	4.2.11.	Заряд в приповерхностной области полупроводника. Обогащение, обеднение и инверсия.
10	4.2.11.	Дифференциальная емкость идеальной МДП структуры.
11	4.2.11.	НЧ и ВЧ вольт-фарадные характеристики МДП-структуры.
12	4.2.11.	Время формирования инверсионной области.
13	4.2.11.	Влияние контактной разности потенциалов между металлом и полупроводником на ВФХ МДП-структур.
14	4.2.11.	Влияние фиксированного заряда в диэлектрике на ВФХ МДП-структур.
15	4.2.11.	Влияние заряда ловушек границы раздела диэлектрик – полупроводник на ВЧ ВФХ МДП – структуры.
16	4.2.11.	Влияние заряда ловушек границы раздела диэлектрик – полупроводник на ВЧ ВФХ МДП – структуры.
17	4.2.11.	Влияние плотности распределения поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик – полупроводник на вид ВФХ МДП – структуры.

6. Лабораторный практикум

Не предусмотрен

7. Курсовая работа

Не предусмотрена

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:

а) основная литература:

1. . Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977;

2. , . Физика твердого тела для инженеров. Учебное пособие. – М.: Техносфера, 2007.

3. . Физика твердого тела. Учебное пособие. – М.: МГТУ им. Баумана, 2008.

б) дополнительная литература:

1. Электронные процессы в некристаллических веществах (т.1,2), - М.: Мир, 1982;

2. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. – М.: Мир,1988;

3. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1978.

в) програмное обеспечение

-  Системные программные средства: Microsoft Windows XP

-  Прикладные программные средства Microsoft Office 2007 Pro, FireFox

г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы: не используются

д) рекомендованная литература для самостоятельной работы:

1. Мома и дисперсия света в полупроводниках. – М.: МИЭМ, 1987;

2. , Строганкова : Учебное пособие. - Моск. гос. Ин-т электроники и математики. М., 2005.

е) учебно-методические материалы:

1.Физика конденсированного состояния: Методические указания к курсовым работам по курсу «Физика конденсированного состояния»/ Моск. Гос. Ин-т электроники и математики; Сост. . М., 2012.

2.Экспериментальное определение ширины запрещенной зоны полупроводника: Методические указания к выполнению лабораторной работы./ МИЭМ; Сост. , . М., 2011.

9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

• Компьютерный класс на 12 мест, оснащенный 12 персональными компьютерами на базе процессоров Intel Pentium 4;

10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:

В интерактивных формах проводятся семинарские занятия. В качестве оценочного средства для текущего контроля успеваемости проводится написание студентами на семинаре коротких контрольных работ по основам пройденного на лекциях теоретического материала с последующим обсуждением, которое проходит в форме конференции. Активность, правильность высказываемых мнений, способность логического объяснения учитываются при выставлении оценки контрольных работ.

Автор программы___________________