Кинетические и размерные явления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»

Кафедра теоретической физики

Учебно-методический комплекс по дисциплине специализации

Кинетические и размерные явления

Дисциплина входит в цикл СДМ

профессионально-образовательной магистерской программы

«Физика конденсированного состояния вещества»

направление подготовки 010Физика

Кемерово

2011

СОГЛАСОВАНО:	СОГЛАСОВАНО:
Декан физического факультета _____________________ «_____»__________________ 20__г.	Проректор по учебно-организационной работе КемГУ Н ________________ «_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен Ученым советом физического факультета Протокол №___ от «___»_________20__г. Председатель ученого совета факультета, декан физического факультета __________________ «_____»__________________ 20__г.	УМК обсужден и одобрен Научно-методическим советом КемГУ Протокол №___ от «___»_________20__г. Председатель НМС, проректор по учебно-организационной работе КемГУ ___________________ «_____»__________________ 20__г.

ОБСУЖДЕНО:	РАССМОТРЕНО:
Зав. кафедрой _________________ «_____»__________________ 20__г.	Председатель методической комиссии ________________ «_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен На заседании кафедры Протокол №___ от «___»_________20__г. Зав. кафедрой теоретической физики ______________________ «_____»__________________ 20__г.	УМК обсужден и одобрен Методической комиссией физического факультета Протокол №___ от «___»_________20__г.

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Пояснительная записка.

2.  Рабочая программа курса по дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления».

3.  Тематический план

3.1.  Содержание теоретического курса.

3.2.  Темы практических занятий.

4.  Тесты.

5.  Задачи к зачету.

6.  Литература.

6.1.  Основная.

6.2.  Дополнительная.

7.  Приложение:

7.1. Электронные версии авторских книг , «Термодинамика и кинетика образования дефектов Френкеля и Шоттки в ионных кристаллах», «Ионные и электронные процессы и контактные явления в широкозонных полупроводниках» – изданных в КемГУ и хранящихся в формате. pdf на сервере http://physic. *****/

7.2. Копия Банка тестовых заданий в формате. ast (Основная база AST-тестовых заданий находится на сервере отдела ТСО КемГУ)

УМК расположен на сайте Физического факультета КемГУ:

http://physic. *****/viewpage. php? page_id=179

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Кафедра общей физики

«Утверждаю»

Декан

физического факультета

______________________

«___» ___________ 200_ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

«Кинетические и размерные явления»

программы «Физика конденсированного состояния вещества»

направление 010ФИЗИКА

курс _6 ___________________ экзамен ___________

семестр _11 _______________ (семестр)

лекции _20________________ (часов) зачет _______11______

практические занятия _ _____ (часов) (семестр)

самостоятельные занятия _40__(часов)

Всего часов _60___________________

Составитель:

д. ф.-м. н., профессор кафедры теоретической физики КемГУ

Кемерово, 2009

Рабочая программа составлена на основании: Государственного образовательного стандарта направления 010701 Физика, утвержденного в 2000 г., учебного плана подготовки магистров направления 010700(510400) Физика конденсированного состояния вещества кафедрами общей, экспериментальной, теоретической физики и физической химии

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры

Протокол № ___ от «___» ________ 2010__ г.

Зав. кафедрой _________________//

(подпись, Ф. И.О.)

Одобрено методической комиссией

Протокол № ___ от «___» ________ 2010__ г.

Председатель___________________//

(подпись, Ф. И.О.)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

В дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления» рассматривается влияние внешних электрических и магнитных полей, полей объемного заряда на ионные, электронные процессы, контактные и квантовые явления в ионных соединениях и полупроводниках.

Актуальность и значимость дисциплины специализации

Современное физическое образование требует серьезной подготовки магистрантов в области физики конденсированных сред. Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» входит в состав курса «Физика конденсированного состояния» и является необходимой дисциплиной для подготовки специалистов в области современного физического материаловедения, как теоретиков, так экспериментаторов и относится к разряду естественных наук, т. е. наук о природе.

·  Цель и задачи изучения курса

Целью дисциплины специализации «Кинетические и размерные явления» является ознакомление магистрантов с применениями общих принципов и методов теоретической физики в физике конденсированных сред. Достижение поставленной цели осуществляется путём решения следующих основных задач:

1) ознакомление магистрантов с физикой кинетических и размерных явлений в твердых телах, в том числе и квантово-размерных, возникающих в электрических и магнитных полях, их математическими выражениями;

2) формирование умения правильно выражать физические идеи и решать конкретные задачи физики конденсированных сред;

3) развитие у магистрантов представления о роли фундаментальной физики в системе естественных наук и путях решения прикладных вопросов на основе физических законов и методов.

·  Место дисциплины в профессиональной подготовке специалиста

Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления » входит в состав курса «Физика конденсированного состояния», которая является одним из основных дисциплин в общей физико-математической и естественно – научной подготовки современных специалистов физиков.

Структура учебной дисциплины.

Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» включает в себя следующие разделы: ионные процессы в твердых телах, электронные процессы в полупроводниках, контактные явления в полупроводниках, квантовые явления в полупроводниках.

·  Особенности изучения дисциплина специализации

Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» входит в состав курса «Физика конденсированного состояния».

Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» базируется на курсах «Электродинамика», «Статистическая физика», «Квантовая механика», «Основы физики твердого тела», «Математический анализ», «Дифференциальные уравнения» и «Функция комплексных переменных».

·  Формы организации учебного процесса по данной дисциплине

На основе программы и учебного плана в ходе проведения занятий по дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления» используются различные формы: лекции, практические занятия, самостоятельная работа, контрольные работы, коллоквиумы, зачет.

·  Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы магистрантов при изучении дисциплины – основные вопросы программы вынесены как на аудиторные, так и на самостоятельные занятия и согласно программы распределены в отношении 1 : 2.

·   

·  Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

Магистрант должен понимать и уметь применять методы статистической физики в физике твердого тела и в физике полупроводников, понимать процессы происходящие в твердом теле во внешнем электрическом поле, понимать процессы происходящие на границе гетероструктур, понимать физику квантовых явлений в полупроводниках и применять их на практике при решении различных задач по дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления».

Объем и сроки изучения дисциплины.

Дисциплина специализации рассчитана на 60 часов занятий в восьмом семестре, что обусловлено программой подготовки специалистов и планом обучения магистрантов по направлению 010«Физика конденсированного состояния».

Виды контроля знаний студентов и их отчетности

По всем основным разделам дисциплины специализации предусмотрены самостоятельные работы, контрольные работы, коллоквиумы (полное описание приведено в тематическом плане). По итогам изучения курса предусмотрен: в конце семестра – зачет.

·  Критерии оценки знаний студентов

1. Посещение лекций, практических занятий (наличие конспекта лекции и практикума).

2. Работа в аудитории у доски.

3. Выполнение домашних работ.

4. Самостоятельная работа (практические задания).

5. Контрольные работы.

6. Коллоквиум.

При выставлении зачета учитываются следующие параметры:

1.  Работа студента в семестре.

2.  Оценка коллоквиума.

3.  Теоретическая часть билета.

4.  Практическая часть билета.

Зачет ставится при отсутствии или отработке всех долгов, решении всех задач и ответе на теоретические вопросы при сдаче зачета.

Тематический план

№	Название и содержание разделов, тем, модулей	Объем часов	Формы контроля
Общий	Аудиторная работа	Самостоятельная работа
Лекции	Практические (или семинарские)	Лабораторные
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Ионные процессы в широкозон-ных полупроводниках и диэлек-триках.	18	4			10
2	Электронные процессы в полу-проводниках.	12	4			10
3	Контактные явления в полу-проводниках.	10	4			10
4	Квантовые явления в полу-проводниках.	16	8			10
Итого:	60	20			40

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Теоретический курс

1. Ионные процессы в широкозонных полупроводниках и диэлектриках

1.1. Естественная поверхность твердого тела

1.2. Влияние разупорядочения поверхности на образование дефектов Френкеля в ионном кристалле

1.3. Колебательная энтропия дефектов

1.4. Ионная проводимость и точечные дефекты

1.5. Влияние размеров микрокристаллов на ионную проводимость и поверхностный потенциал

1.6. Кинетика образования дефектов Френкеля в ионных кристаллах и характерные времена релаксации дефектов

1.8. Термодинамика и кинетика образования дефектов Шоттки в ионных кристаллах

1.9. Кинетика поляризации и эффект термогенерации дефектов Френкеля в бесконтактном электрическом поле

2. Электронные процессы в полупроводниках

2.1. Метод эффективной массы

2.2. Плотность электронных состояний в объеме полупроводников, концентрации электронов и дырок в зонах

2.3. Статистика электронов и дырок в примесных полупроводниках

2.4. Закон действующих масс в примесных полупроводниках

2.5. Эффекты Френкеля и Франца-Келдыша

2.6. Поверхностные состояния

2.7. Влияние размера и объемного заряда собственных дефектов на положения уровня Ферми и электронную проводимость ионного кристалла.

3. Контактные явления в полупроводниках

3.1. Полупроводниковые гетеропереходы

3.2. Анизотипный гетеропереход

3.3. Изотипный гетеропереход

3.4. Зависимость изгиба зон на границе микроконтакта от формы и размера гетерогенной системы, влияние объемного заряда дефектов Френкеля на изгиб зон в гетероструктурах на основе ионных кристаллов.

4. Квантовые явления в полупроводниках

4.1. Плотность электронных состояний в полупроводниках пониженной размерности: двумерная модель, одномерная модель, нульмерная модель

4.2. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности

4.3. Образование квантовых ям в полупроводниках и гетероструктурах в области объемного заряда

4.4. Явления переноса электронов в квантовых полупроводниковых структурах

4.5. Квантовые осцилляции в магнитном поле: энергетический спектр и плотность состояний в магнитном поле, осцилляции Шубникова – де Гааза, эффект де Гааза – ван Альфена.

4.6. Квантовый эффект Холла: классический эффект Холла, целочисленный эффект Холла, дробный эффект Холла.

Темы практических занятий

1. Изменение энергии Гиббса при образованиии дефектов Френкеля и Шоттки в ионных кристаллах.

2. Характерные времена релаксации дефектов Френкеля и Шоттки в ионных кристаллах.

3. Влияние объемного заряда на проводимость ионных кристаллов.

4. Эффект термогенерации дефектов Френкеля в бесконтактном электрическом поле.

5. Влияние собственных дефектов на электронное равновесие в ионных кристаллах.

6. Эффекты Френкеля и Келдыша-Франца.

7. Контактные явления в полупроводниках.

7.1. Анизотипный гетеропереход.

7.2. Изотипный гетеропереход.

8. Квантовые явления в полупроводниках в электрическом и магнитном полях.

8.1. Электронные состояния с пониженной размерностью.

8.2. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности.

8.3. Эффект Холла: классический, квантовый.

ФОРМЫ ТЕКУЩЕГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО И РУБЕЖНОГО КОНТОРОЛЯ

1. ТЕСТЫ

ТЕСТ 1

Как изменяется энергия Гиббса при образовании собственных дефектов (дефектов Френкеля или Шоттки)?

Варианты ответов

1. Повышается.

2. Уменьшается.

3. Для дефектов Френкеля уменьшается, а для дефектов Шоттки увеличивается.

4. Для дефектов Шоттки уменьшается, а для дефектов Френкеля увеличивается.

ТЕСТ 2

Какие точечные дефекты (включая примесные ионы и атомы) являются электрически активными?

Варианты ответов

1. Дефекты, создающие в запрещенной зоне полупроводника или диэлектрика локальные уровни.

2. Дефекты, имеющие электрический заряд.

3. Дефекты, дающие вклад в диэлектрические потери.

4. Нейтральные дефекты.

ТЕСТ 3

Энергия электронного сродства полупроводника или диэлектрика это есть энергия:

Варианты ответов

1. Необходимая для перевода электрона с края зоны проводимости на уровень вакуума.

2. Необходимая для перевода электрона с уровня Ферми на уровень вакуума.

3. Необходимая для перевода электрона с потолка валентной зоны на уровень вакуума.

4. Необходимая для перевода электрона с потолка валентной зоны в зону проводимости.

(Правильный ответ 1).

ТЕСТ 4

Какие из данных ответов удовлетворяют условию наблюдения квантовых размерных эффектов в тонких пленках.

Варианты ответов

1. .

2. .

3. .

4. Зеркальное отражение свободных носителей от границ пленки.

ТЕСТ 5

Какие из данных определений характеризуют гетероструктуру?

1. Образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением основного химического состава.

2. Образец, состоящий из твердого раствора переменного состава, основной химический состав которого изменяется с координатой.

3. Образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением концентрации примеси.

4. Образец с изменяющейся по координате содержанием примеси, в котором концентрация электронов и дырок локально связана с концентрацией примеси.

2. ЗАДАЧИ К ЗАЧЕТУ

1. Определить изменение энергии Гиббса для поверхностных вакансий при образовании дефектов Шоттки в одновалентном ионном кристалле вследствие термодинамического разупорядочения решетки.

2. Получить выражение для проводимости разупорядоченного по Френкелю одновалентного плоского ионного кристалла с учетом области объемного заряда и определить потенциал инверсии.

3. Получить формулу для определения изгиба зон для собственного полупроводника, имеющего на поверхности одинаковые концентрации акцепторных и донорных уровней. Энергии акцепторных и донорных уровней относительно потолка валентной зоны: и соответствено, ширина запрещенной зоны .

4. Рассчитать разрывы зон , и контакную разность потенциалов , а также построить энергетическую диаграмму идеального контакта при концентрации мелких доноров в и концентрации мелких акцепторов в . Энергии сродства эВ, эВ. Эффективная масса электрона в , эффективная масса дырки в . Положить К.

5. Рассчитать высоту потенциального баръера для движения электронов из металла в полупроводник и обратно и изобразить зонную диаграмму контакта с удельным сопротивление Ом∙см, если энергии сродства эВ, эВ, подвижность электронов в и эффективная масса электрона .

Список основной учебной литературы

Сведения об учебниках	Количество экземпляров в библиотеке на момент утверждения программы	Электронный вариант в библиотеке факультета
Наименование, гриф	Автор	Год издания
Физика квантовых низко-размерных структур, мин.	,	2000	5
Физика низкоразмерных систем, мин.	, ,	2001	3
Варизонные полупровод-ники и гетероструктуры, мин.	, ,	2000	3
Наноэлектроника. Ч. I. Введение в наноэлектро-нику, мин.	Под ред. академика	2009	1
Физика полупроводников, мин.	Бонч-,	1990
Сборник задач по физике полупроводников, мин.	Бонч-, ,	1987
Термодинамика и кинетика образования дефектов Френкеля и Шоттки в ионных кристаллах.		2008	70	сайт phys. *****
Ионные и электронные процессы и контактные явления в широкозонных полу-проводниках		2008	70	сайт phys. *****

Литература

Основная

1. , Вугальтер квантовых низкоразмерных структур. М.: Логос, 20с.

2. , , Рыков низкоразмерных систем. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 20с.

3. Наноэлектроника. Ч. I. Введение в наноэлектронику, Под ред. академика . М.: издательство МГТУ им. , 20с.

4. Бонч-, Калашников полупроводников. М.: Наука, 19с.

5. Бонч-, , Миронов задач по физике полупроводников. М.: Наука, 19с.

6. Ханефт и кинетика образования дефектов Френкеля и Шоттки в ионных кристаллах. Кемерово: Кузбассвузиздат, 20с.

7. Ханефт и электронные процессы и контактные явления в широкозонных полупроводниках. Томск: Издательство ТГПУ, 20с.

Дополнительная

1. , Овсюк процессы в твердотельных системах пониженной размерности. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 20с.

2. , , Гридчин наноэлектроники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 20с.

3. , , Мусихин полей и токов в полупроводниковых структурах. Сборник задач и упражнений. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 19с.