ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте
УТВЕРЖДАЮ | |
Декан машиностроительного | |
факультета | |
________________ | |
«____»_________________20___г. | |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины ДВ.2.03.02 Физика твердого тела
для 220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств
форма обучения: очная
кафедра-разработчик: Технология машиностроения, станки и инструменты
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 220700.62, утвержденным приказом Минобрнауки
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры Технология машиностроения, станки и инструменты, протокол №____ от ________________
Зав. кафедрой разработчика: д. т.н., профессор ___________________
Разработчик программы: к. т.н., доцент ________________________
Златоуст, 2011
1. Цели и задачи дисциплины.
Цели освоения дисциплины «Физика твердого тела»:
- реализация в рамках дисциплины требований квалификационной характеристики, связанной с профессиональной деятельностью выпускника по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» согласно Федеральному государственному образовательному стандарту (ФГОС), утвержденному приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 25 октября 2011 № 000;
- формирование соответствующих компетенций согласно требованиям основной образовательной программы (ООП) подготовки бакалавров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств».
Задачи:
- формирование физических представлений об основных понятиях и идеях физики твердого тела и методах решения задач;
- формирование у студентов представлений о методах теоретического описания, расчета, качественного и количественного анализа физических процессов, протекающих в твердых телах под воздействием внешних полей (электрического и магнитного), механического и температурного воздействия, а также оптического излучения. В результате изучения курса студент приобретает фундаментальные знания об основах описания физических процессов в твердых телах, а также навыки решения и исследования конкретных физических задач.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Физика твердого тела» относится к дисциплинам математического и естественнонаучного цикла, части дисциплин по выбору ВУЗа.
Перечень предшествующих дисциплин, видов работ | Перечень последующих дисциплин, видов работ |
Б.2.01. Математика. Б.2.02. Физика Б.2.03. Химия В.2.01. Информатика Б.3.01.02. Инженерная графика. Б.3.07. Метрология, стандартизация и сертификация | Б.3.08. Электротехника и электроника Б.3.09. ТАУ Б.3.02.01 Оборудование автоматизированных производств В.3.06.Автоматизация технологических процессов и производств В.3.07. Основы проектирования автоматизированных систем Дипломное проектирование. |
Требования к «входным» знаниям, умениям, навыкам студента, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения предшествующих дисциплин:
Студент должен знать:
– основные понятия и методы математического анализа, аналитической геометрии, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений математической физики, теории вероятностей и математической статистики;
– законы Ньютона и законы сохранения, элементы механики жидкостей, законы термодинамики, статистические распределения, уравнения Максвелла, волновые процессы, геометрическую и волновую оптику, основы квантовой механики;
– электронное строение атомов и молекул, основы теории химической связи в соединениях разных типов, основные закономерности протекания химических процессов и характеристики равновесного состояния, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и их важнейших соединений;
Студент должен уметь:
– проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности, математической статистики и аналитической геометрии, решать уравнения и системы дифференциальных и алгебраических уравнений применительно к реальным процессам, применять методы математической физики при решении типовых профессиональных задач;
– работать в качестве пользователя персонального компьютера, использовать внешние носители информации для обмена данными между машинами, создавать резервные копии и архивы данных и программ, использовать численные методы для решения математических задач, использовать языки и системы программирования для решения профессиональных задач, работать с программными средствами общего назначения;
– формулировать и решать типовые задачи связанные с основными разделами физики, использовать физические законы при анализе и решении проблем профессиональной деятельности;
– использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и количественные соотношения неорганической и физической химии для решения профессиональных задач;
Студент должен владеть:
– методами построения математических моделей типовых профессиональных задач и содержательной интерпретации полученных результатов;
– методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях, техническими и программными средствами защиты информации при работе с компьютерными системами;
– теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе электронного строения их атомов и молекул и положения в Периодической системе химических элементов;
– методами статистической термодинамики для описания различных равновесий
3.Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
а) общекультурных (ОК):
– способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
б) профессиональных (ПК):
– способностью использовать основные закономерности, действующие в процессе изготовления продукции, использовать их для производства изделий требуемого качества, заданного количества при наименьших затратах общественного труда (ПК-2);
– способностью использовать прикладные программные средства при решении практических задач профессиональной деятельности, методы стандартных испытаний по определению физико-механических свойств и технологических показателей материалов и готовых изделий, стандартные методы их проектирования, прогрессивные методы эксплуатации изделий (ПК-4);
– способностью участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК-17);
– способностью разрабатывать локальные поверочные схемы и выполнять проверку и отладку систем и средств автоматизации технологических процессов, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством, а также их ремонт (ПК-23);
– способностью проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом их результатов, составлять описания выполненных исследований и подготавливать данные для разработки научных обзоров и публикаций (ПК-42);
– способностью выполнять работы по наладке, настройке, регулировке, опытной проверке, регламентному техническому, эксплуатационному обслуживанию оборудования, средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления, средств программного обеспечения, сертификационным испытаниям изделий (ПК - 48);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
– основные сведения о структуре кристаллов, основные постулаты и положения квантовой теории;
– туннельный эффект;
– строение атома и связь с периодической таблицей элементов Менделеева;
– классификацию твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории;
– основные электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел, механизмы протекания тока;
– особенности электронных свойств неупорядоченных и аморфных материалов;
– основы физики твердого тела;
– физические основы технологии производства изделий электроники
уметь:
– оценивать пределы применимости классического подхода, роль и важность квантовых эффектов при описании физических процессов;
– оценивать физические параметры материалов (проводимость, диэлектрические и магнитные свойства, термодинамические функции, дефектообразование) по экспериментальным данным
владеть:
методами квантово-механического описания простейших квантовых систем, входящих в состав элементов электроники, способами расчетов проводимости, диэлектрических и магнитных свойств, теплоемкости
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины – 3 зачетных единицы, 108 часов.
Вид учебной работы | Всего часов | Разделение по семестрам в часах. Номер семестра | |||
4 | |||||
Общая трудоемкость дисциплины | 108 | 108 | |||
Аудиторные занятия | 54 | 54 | |||
Лекции (Л) | 27 | 27 | |||
Практические занятия, семинары (ПЗ) | 27 | 27 | |||
Лабораторные работы (ЛР) и (или) другие виды аудиторных занятий | – | – | |||
Самостоятельная работа (СРС) · Курсовой проект · Курсовая работа · Реферат · Расчетно-графическая работа · Семестровое задание · Подготовка к экзамену, зачету · другие виды самостоятельной работы | 49 + + + | 49 + + + | |||
Контроль самостоятельной работы студента (КСР) | 5 | 5 | |||
Вид итогового контроля (ИА) (зачет, экзамен) | Зачет | Зачет | |||
Общая трудоемкость час. зач. ед. | 108 | 108 | |||
3 | 3 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1 | Структура и симметрия твердых тел. | Строение кристаллических твердых тел: элементы точечной и трансляционной симметрии; базис, кристаллические классы, сингонии и решетки Бравэ. Простые и сложные решетки, стехиометрические соотношения. Координационные числа. Обозначения плоскостей и направлений, индексы Миллера. Обратная решетка. Анизотропия и симметрия физических свойств, тензорное описание. Методы определения строения кристаллов. |
2 | Несовершенства в кристаллах. | Общая классификация дефектов. Классическая и квантовая теории колебаний решетки; упругие свойства кристаллов. Упругие волны. Частотный спектр. Тепловые колебания, фононы, тепловая энергия, термодинамические функции твердых тел. Теплоемкости по Эйнштейну, Дебаю, закон Дюлонга-Пти. Термодинамика образования точечных дефектов. Дефекты по Шоттки и Френкелю. Равновесная концентрация дефектов. |
3 | Квантовая механика электронов в твердых телах. | Электронные состояния в идеальном кристалле. Модель свободных электронов. Уравнение Шредингера, волновые функции, уровни энергии и их заполнение, уровень Ферми при 0 К, функция распределения энергетических состояний по энергии, вероятность заполнения энергетических уровней (функция распределения Ферми-Дирака), функция распределения электронов по энергиям. Теплоемкость вырожденного электронного газа. Зонная теория твердых тел. Зоны Бриллюэна. Соотнесение зонной модели и модели свободных электронов. Туннельный эффект. Распределение электронов по зонам. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Эффективная масса электрона. Дырки. Влияние дефектов на зонную структуру полупроводников. Примесные полупроводники. Температурная зависимость концентраций носителей зарядов. |
4 | Кинетические явления в металлах и полупроводниках. | Электропроводность металлов, время релаксации, Уравнение Больцмана. Электропроводность собственных и примесных полупроводников, температурная зависимость. Механизмы рассеяния носителей заряда. Диффузия и дрейф носителей заряда. Контактные явления. Явления переноса и кинетические эффекты. Продольные и поперечные эффекты. Сверхпроводимость, параметры сверхпроводников, сверхпроводники 1 и 2-го рода, вихри Абрикосова, квантование магнитного потока, Куперовская пара, длина корреляции. |
5 | Диэлектрические и магнитные свойства веществ. | Свойства диэлектриков в статических полях. Виды поляризации. Диэлектрическая восприимчивость. Эффективное поле и наведенная поляризация. Ориентация диполей. Электрострикция и пьезоэлектричество. Спонтанная поляризация, пиро и сегнетоэлектрики. Доменная структура. Диэлектрики в переменных электрических полях Виды диэлектрических потерь. Физическая природа диа - и парамагнетизма. Основные определения. Температурная зависимость магнитной восприимчивости. Природа постоянных магнитных моментов. Физическая природа ферромагнетизма, спиновые волны, магноны, доменная структура. Ферримагнетизм и антиферромагнетизм. |
6 | Оптические свойства кристаллов. | Фотопроводимость. Излучательная рекомбинация. Оптоэлектрические явления. Закономерности поглощения и излучения света твердыми телами. Неравновесные носители заряда, механизмы рекомбинации, время жизни. Центры окраски, люминесценция, фотопроводимость. Акустические свойства кристаллов. |
5.2. Разделы дисциплин и виды занятий
Номер раздела, темы | Наименование разделов, тем дисциплины | Объем занятий по видам в часах | ||||||
Всего | Л | ПЗ | ЛР | СРС | КСР | ИА | ||
1 | Структура и симметрия твердых тел. | 4 | 2 | 4 | Устный опрос | |||
2 | Несовершенства в кристаллах. | 4 | 4 | 8 | 2 | Контрольная работа | ||
3 | Квантовая механика электронов в твердых телах. | 6 | 6 | 10 | Устный опрос | |||
4 | Кинетические явления в металлах и полупроводниках. | 6 | 6 | 10 | 1 | Устный опрос | ||
5 | Диэлектрические и магнитные свойства веществ. | 4 | 5 | 8 | Устный опрос | |||
6 | Оптические свойства кристаллов. | 3 | 4 | 9 | 2 | Устный опрос | ||
72 | 27 | 27 | 49 | 5 |
5.3. Лабораторные работы
Не предусмотрены учебным планом
5.2. Практические занятия
Номер занятия | Номер раздела или темы | Наименование и краткое содержание практических занятий | Характер занятий и цель | Кол-во часов |
1 | 1 | – нахождение элементов симметрии решетки; – определение типа решетки, определение базиса, сингонии, нахождение стехиометрических соотношений, координационных чисел ; – расчеты плотностей кристаллов по параметрам решетки и обратные задачи; – определение индексов Миллера для плоскостей и направлений; – расчеты межплоскостных расстояний и углов и плотностей упаковки. | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 2 |
2 | 2 | – определение температурных областей применимости приближений Дебая, Эйнштейна; – расчеты термодинамических функций и теплоемкостей по Дебаю и Эйнштейну; – расчеты равновесных концентраций дефектов Шоттки и Френкеля; – анализ влияния дефектообразования на изменения термодинамических функций | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
3 | 3 | – расчеты положения уровня Ферми для различных материалов и обратные задачи; –расчеты электронной составляющей теплоемкости и других параметров вырожденного электронного газа (вероятностей заполнения уровней); – определение концентраций носителей зарядов в зонах при различных температурах для полупроводников n–p типа, содержащих различные примеси; – определение температурных интервалов изменений концентраций носителей зарядов. | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 6 |
4 | 4 | – расчеты плотностей токов, проводимости металлов и полупроводников при разных температурах и обратные задачи по определению и оценке подвижности, частот столкновений, длин свободных пробегов; – оценки параметров полупроводников по данным эффекта Холла; – оценки критических параметров сверхпроводников 1–го рода (критических токов, напряженностей магнитных полей, длин корреляции). | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 6 |
5 | 5 | – оценки величин поляризуемости (электронной, ионной, дипольной) и диэлектрических характеристик вещества по экспериментальным данным; – оценки условий возникновения спонтанной поляризуемости; – расчеты диэлектрических потерь и диэлектрических характеристик при различных частотах; – расчеты намагниченности различных материалов по данным об их строении и электронной структуре материалов. | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 5 |
6 | 6 | – расчеты фотопроводимости по известным характеристикам генерации и рекомбинации неравновесных носителей зарядов; – оценки толщины области фотопроводимости; – анализ зонной структуры по спектрам поглощения и фотопроводимости и обратная задача – определение полос поглощения в спектре по данным о зонной структуре. | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
Итого | 27 |
5.3. Семинары
Не предусмотрены учебным планом
5.4. Самостоятельная работа студентов
Номер раздела | Наименование и содержание разделов, вынесенных на самостоятельную работу | Вид работы | Объем работы в часах для одного студента | Список литературы (с указанием разделов, глав, страниц) | Форма контроля |
1 | Структура и симметрия твердых тел. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 4 | Проверка конспектов | |
2 | Несовершенства в кристаллах. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 8 | Индивидуальные беседы и консультации с преподавателем | |
3 | Квантовая механика электронов в твердых телах. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 10 | Проверка конспектов | |
4 | Кинетические явления в металлах и полупроводниках. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 10 | Итоговые семестровые зачеты | |
Диэлектрические и магнитные свойства веществ. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 8 | Проверка конспектов | ||
Оптические свойства кристаллов. | Изучение тем, не выносимых на лекции | 9 | Проверка конспектов |
5.5. Контроль самостоятельной работы студентов
Формы управления самостоятельной работой студента и формы контроля СРС | Кол-во часов |
Консультации по выполнению практических работ | 1 час/чел |
Контрольная изучения теоретического материала | 0,3 ч/чел |
Устный опрос по разделам 1-6 | 2 |
6. Образовательные технологии, используемые в учебном процессе данной дисциплины (рекомендации преподавателю)
6.1. Интерактивные формы обучения
Чтение лекций по данной дисциплине проводится с использованием мультимедийных презентаций в части представления сложного графического материала – элементы симметрии, сингонии, решетки Бравэ и т. д.. Для объяснения структуры используются также модели элементарных решеток, а также различной ориентации монокристаллы кремния, титаната бария, рубина и некоторые другие.
При рассмотрении новой темы, формулировке положений, на которых она строится, проводится краткая дискуссия (~5 мин.) с обсуждением справедливости этих положений и их ограничений. Лекция завершается обсуждением вопросов, возникших в ее ходе (~3 мин.)
Проведение практических занятий строятся следующим образом.
1. Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
2. Беглый опрос основных теоретических положений. Объяснение хода решения задач, заданных на дом.
3. Решение 1-2 типовых задач у доски с анализом ошибок.
4. Самостоятельное решение задач.
5. Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).
Завершает модуль контрольная работа, которая включает тест (10 вопросов) и три задачи с повышающейся степенью сложности. Суммарная оценка складывается по максимуму: 40% - тест, 1-задача – 10%, 2-я задача – 20% и 3-я -30%. Модуль зачитывается, если в сумме студент выполняет не менее 60% задания. В противном случае контрольная работа переписывается в дополнительное время со снижением набранного балла на 10% за каждое повторное переписывание. Аналогичное снижение предусмотрено для студентов, пропустивших контрольную работу. Предусмотрено от 4 до 6 вариантов одной контрольной работы. По модулю 3 проводится две контрольных работы. Желающие повысить свой рейтинг получают дополнительные задания. Суммарный рейтинговый балл складывается из результатов всех форм контроля.
Основу технологии обучения с интерактивным подходом для изучения данной технической дисциплины составляют:
1) разминки на пройденном материале (технология: «каждый подсказывает каждому или дополняет, или исправляет каждого»);
2) выполнение индивидуальных заданий на практических работах малыми группами (приобретение навыков сотрудничества, межличностного общения, выработки общего мнения, разрешения разногласий, закрепление соответствующих компетенций, выявление и формирование лидеров в группах).
При организации работы малыми группами (по 2-3 обучающихся) реализуются следующие положения:
- инструкции по выполнению заданий составляются максимально четкими (инструкции должны записываться на доске или на карточках заданий);
- группе представляется достаточно времени на выполнение задания (выверенное время, установленное при проведении «обкатки» упражнения, плюс – «премиальный» запас для групп-лидеров, успешно выполнивших задание).
6.2. Инновационные способы и методы, используемые в образовательном процессе
№ | Наименование | Краткое описание и примеры использования в темах и разделах |
1. | Использование информационных ресурсов и баз данных | Использование информационных ресурсов Интернет Электронно-библиотечная система издательства «Лань». |
2. | Применение электронных мультимедийных учебников и учебных пособий | |
3. | Ориентация содержания на лучшие отечественные аналоги образовательных программ | Примерная образовательная программа УМО АМ ФГБОУ ВПО «СТАНКИН» |
4. | Применение предпринимательских идей в содержании курса | |
5. | Использование проблемно- ориентированного междисциплинарного подхода к изучению наук | |
6. | Применение активных методов обучения, «контекстного» и «на основе опыта» | Обзор отечественных и зарубежных разработок по теме 1-6 |
7. | Использование методов, основанных на изучении практики (case studies) | Использование материалов учебной практики |
8. | Использование проектно-организованных технологий обучения работе в команде над комплексным решением практических задач | |
9. | Другие |
7. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 10 заданий по каждому модулю. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Примеры контрольных тестов по каждому модулю приведен ниже.
Варианты тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов
Тема 1
1. Для кристаллов не может быть осей симметрии
А) 1-го порядка Б) 2-го порядка В) 5-го порядка г) 6-того порядка.
2. Для задания трансляционной группы надо указать
А) количество осей симметрии Б) плоскости симметрии В) базисные вектора трансляций
3) Какие из указанных элементов относятся к точечной группе симметрии
А) оси симметрии Б) центр инверсии В) вектора трансляций Г) плоскости симметрии
4) Базис характеризует
А) точечную группу симметрии Б) трансляционную группу В) точечную и трансляционную группу
5) Сколько дополнительных векторов трансляций надо задать для описания гранецентрированной решетки А) ни одного Б) три В) два
6) Может ли вектор трансляции соединять две разнотипных частицы?
А) Да Б) Нет
7) Число структурных единиц характеризует элементарную ячейку А) любую Б) простых веществ В) химических соединений
8. В каких из указанных сингоний система координат не является ортогональной
А) кубическая Б) тригональная В) тетрагональная Г) гексагональная
9. Индексы Миллера плоскости определяют
А) семейство эквивалентных по симметрии плоскостей Б) семейство параллельных плоскостей В) конкретную плоскость
10. Какая из указанных плоскостей параллельна одной из координатных осей
А) (111) Б) (121) В) (100) Г(110)
Тема 2
1. Какие из указанных дефектов относятся к точечным
а) дефект Шоттки б) краевая дислокация двойник в) атом в междуузлии
2. Дефект Френкеля это
а) частица в междуузлии и вакансия ) частица в междуузлии б) вакансия
3. Дисперсионные соотношения связывают между собой
а) скорость распространения волны и ее фазу б) частоту и фазовую скорость в) частоту и длину волны
4. Причиной дискретности спектра колебаний частиц решетки является
а) квантово-механический характер движения частиц б) наличие трансляционной симметрии в) конечность массы частиц
5. Теория Эйнштейна не учитывает
а) колебательного движения частиц б) наличие частиц разного сорта в) наличие спектра частот колебаний
6. При температурах много меньших температуры Дебая для расчета теплоемкости надо использовать
а) теорию Эйнштейна б) теорию Дебая в) соотношение Дюлонга –Пти
7. В каких направления в кристалле тетрагональной сингонии типа Р (а=в>с) спектры частот будут одинаковы
а) [100], [010] б) [100], [010], [001] в) [100], [001] г) [010], [110]
8) Фонон это
а) квант энергии света б) квант энергии теплового движения в) квант энергии электрона
9) При образовании точечных дефектов энтропия меняется из-за
а) роста амплитуды тепловых колебаний б) образования вакансий в) появления частиц в междуузлиях
10) Термодинамическая вероятность системы простого кристалла, в котором образуются дефекты Шоттки это
а) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество вакансий
б) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество частиц в междуузлиях
в) число способов, которыми из частиц кристалла можно получить определенное количество частиц в междуузлиях и вакансий
Тема 3
1. Квантово-механическое описание следует использовать в случае
а) когда длина волны частицы много больше размеров области, в которой она движется
б) когда длина волны частицы соизмерима с размерами пространства, в которой она движется
2. Произведение нормированной волновой функции на комплексно-сопряженную ей определяет
а) плотность вероятности обнаружения частицы в данной точке
б) вероятность обнаружения частицы в данной точке в) координаты частицы
3. Степень вырождения это
а) число энергетических состояний с разной энергией, но одинаковыми волновыми функциями
б) число энергетических состояний с одной энергией, но разными волновыми функциями
в) число энергетических состояний с одной энергией и одинаковыми волновыми функциями
4. Квантованность уровней энергии является следствием
а) волновой природы электрона и ограничения области его движения б) волновой природы электрона
в) ограничения области его движения
5. Энергия уровня Ферми зависит
а) только концентрации электронов б) только от температуры в) от концентрации и от температуры.
6. Электронный газ подчиняется закону Ферми-Дирака если
а) kT>> энергии уровня Ферми б) kT<< энергии уровня Ферми
7. Функция распределения энергетических состояний по энергиям это
а) плотность состояний в пространстве энергий
б) число энергетических состояний, приходящихся на интервал энергии dE
в) число энергетических состояний, лежащих в интервале энергии от E до E+dE
8. Если F(E) – функция распределения электронов по энергиям, интеграл 
дает
а) концентрацию электронов, с энергией от 0 до 
б) среднюю энергию электронов с энергией от 0 до
в) полную энергию электронов с энергией от 0 до
9) Укажите комбинацию индексов, для которых для примитивной решетки проводимость будет одинакова
а) [111], [100], [110] в) [111], [100], [101] г) [001], [100], [010] д) [110], [101], [011]
10) При самых низких температурах основной вклад в теплоемкость металлов вносит:
а) фононная составляющая б) электронная составляющая
1. Эффективная масса электрона не может быть
А) положительной Б) отрицательной В) равной нулю Г) бесконечно большой
2. В проводимости полупроводника участвуют
А) электроны Б) дырки В) ионизованные доноры Г) ионизованные акцепторы
3. Элементы третьей группы для кремния будут являться
А) донорами Б) акцепторами
4. В собственном Германии будет преобладать проводимость
А) электронная Б) дырочная
5) Известно, что в полупроводнике концентрации электронов и дырок равны. Можно ли утверждать, что этот полупроводник является собственным?
А) да Б) нет
6) У диэлектрика и собственного полупроводника зонная структура отличается
А) наличием примесных уровней в запрещенной зоне Б) шириной запрещенной зоны
7) Какой из отмеченных собственных полупроводников при 300 К имеет большую проводимость
А) кремний Б) германий В) арсенид галлия
8) Имеется два образца кремния. Один легирован бором, другой алюминием. Концентрации примеси одинаковы. Большую температуру истощения примеси имеет образец
А) легированный бором Б) легированный алюминием
9) Зависит ли ширина запрещенной зоны от кристаллографической направления?
А) да Б) нет
10) Электроно-дырочный газ в невырожденном полупроводнике подчиняется статистике
А) Максвелла-Больцмана Б) Ферми-Дирака В) Бозе-Эйнштейна
Тема 4
1. Характеристиками сверхпроводников являются
А) критический ток и температура Б) Критические ток и напряженность магнитного поля в) Критические ток, температура и напряженность магнитного поля
2. Сверхпроводники первого и второго рода отличаются по А) поведению в магнитном поле Б) поведению в переменном электрическом поле В) по поведению в электрическом и магнитном полях
3. Куперовская пара это
А) два связанных фонона Б) два связанных магнона В) два связанных электрона
4. По своим магнитным свойствам сверхпроводники относятся к
А) антиферромагнетикам Б) Ферритам Г) Парамагнетикам Г) Диамагнетикам
5. Вихри Абрикосова имеют место в А) сверхпроводниках 1-го рода Б) сверхпроводниках 2-го рода в) сверхпроводниках 1-го и 2- го рода
6. Температурная зависимость проводимости полупроводников в области примесной проводимости определяется в основном
А) шириной запрещенной зоны Б) энергией ионизации примеси В) механизмом рассеяния носителей зарядов
7. Механизмом рассеяния носителей зарядов при падающей зависимости проводимости от температуры является
А) рассеяние на ионизованных примесях Б) рассеяние на фононах
8) Проводимость металлов зависит от
А) эффективной массы электрона Б) частоты столкновений электронов друг с другом В) частоты столкновений электронов с частицами решетки
9) Проводимость с ростом температуры падает у
А) полупроводников в области собственной проводимости Б) диэлектриков В) металлов
10) Температурная зависимость проводимости полупроводников в области собственной проводимости определяется в основном
А) шириной запрещенной зоны Б) энергией ионизации примеси В) механизмом рассеяния носителей зарядов
Тема 5
1. Какой из видов поляризации является самым медленным
А) электронная Б) ионная в) дипольная
2. Какой из видов поляризации наиболее сильно зависит от температуры
А) электронная Б) ионная в) дипольная
3. Нагрев диэлектриков в переменном поле связан с
А) протеканием токов проводимости Б) с наличием замедленных видов поляризации
4. Все ли вещества обладают диамагнитными свойствами
А) да Б) нет
5. Магнитная криталлическая структура феррита состоит из структур
А) ферромагнетика и антиферромагнетика Б) ферромагнетика и парамагнетика Г) пара и диамагнетика
6. Магнон это
А) квант световой энергии Б) квант тепловой энергии решетки В) квант энергии спиновой волны
7. Ферромагнетизм преимущественно обусловлен
А) орбитальным моментом валентных электронов Б) Спиновыми моментами электронов в зоне В) орбитальными моментами и спиновыми моментами электронов в зоне
8. Все ли вещества обладают магнитными свойствами
А) Да Б) все, за исключение парамагнетиков Г) все, за исключением ферритов и ферромагнетиков
9. Является ли отсутствие спонтанной намагниченности доказательством того, что вещество не является ферромагнетиком
А) ДА Б) НЕТ
10. Какие из указанных классов могут иметь доменную структуру
А) Ферримагнетики Б) Парамагнетикам В) Диамагнетики Г) Сегнетоэлектрики
Тема 6
Красная граница собственной полосы поглощения полупроводника зависит отА) ширины запрещенной зоны Б) энергии ионизации доноров В) концентрации электронов
2. Положение примесных полос поглощения в спектре позволяет определить
А) ширину запрещенной зоны Б) энергии ионизации доноров и акцепторов В) положение уровня Ферми
3. Какой из механизмов рекомбинации является наиболее вероятным
А) межзонный Б) с участием рекомбинационных ловушек.
4. Может ли энергия, выделяющаяся при рекомбинации носителей заряда, превышать ширину запрещенной зоны А) да Б) нет
5. Экситон это
А) пара электрон-дырка в зоне проводимости Б) пара электрон-дырка в валентной зоне
6. Полосы экситонного поглощения лежат
А) в области полосы собственного поглощения Б) в области полос примесного поглощения
7. Электронное поглощение существенно для
А) металлов Б) полупроводников В) диэлектриков
8. Для полупроводников фотоактивными являются переходы
А) зона-зона Б) уровень примеси – зона В) между двумя примесными уровнями
9. Люминесценция ионных кристаллов обусловлена
А) энергией рекомбинации носителей заряда Б) энергией возбуждения примесных атомов
10. Центры окраски (F-центры) могут появляться у кристаллов
А) простых веществ Б) бинарных химических соединений В) тройных химических соединений
Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Элементы точечной симметрии. Простые и сложные элементы.
2. Кристаллические классы. Точечная группа симметрии.
3. Трансляционная группа. Простые и сложные решетки.
4. Кристаллографические категории. Сингония и решетки Бравэ.
5. Индексы Миллера.
6. Определение структуры кристаллов. Обратная решетка.
7. Общая классификация дефектов.
8. Колебания в одномерной простой решетке. Дисперсионное соотношение. Зона Бриллюэна.
9. Спектр частот одномерной простой решетки.
10. Колебания в одномерной сложной решетке. Оптическая и акустическая ветви.
11. Термодинамические функции твердых тел в приближении Эйнштейна.
12. Теплоемкость твердых тел в приближении Дебая.
13. Дефекты по Шоттки. Температурная зависимость концентрации дефектов.
14. Дефекты по Френкелю. Температурная зависимость концентрации дефектов.
15. Модель свободных электронов. Волновые функции. Уровни энергии.
16. Уровень Ферми при 0 К.
17. Функция распределения энергетических состояний по энергиям.
18. Вероятность заполнения энергетического уровня. Функция Ферми–Дирака. Вырождение.
19. Функция распределения электронов по энергиям. Теплоемкость металлов.
20. Электропроводность металлов.
21. Зонная модель твердых тел. Образование зон. Зоны Бриллюена.
22. Количество мест в зоне. Их заполнение. Проводники, диэлектрики, полупроводники.
23. Электроны и дырки. Эффективная масса электрона.
24. Собственные полупроводники. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми.
25. Полупроводники p-типа. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми.
26. Полупроводники n-типа. Концентрация носителей зарядов. Положение уровня Ферми.
27. Общий подход к определению концентрации носителей зарядов и положению уровня Ферми в полупроводниках.
28. Продольные и поперечные явления. Эффект Холла.
29. Проводимость полупроводников. Температурная зависимость.
30. Неравновесные носители зарядов. Механизмы рекомбинации, характеристики.
31. Окраска кристаллов. Центры окраски
32. Неравновесные носители и их основные характеристики
33. Механизмы поглощения света кристаллами. Спектр поглощения. Экситоны. Фотоэффект.
34. Люминесценция, ее механизм
35. Сверхпроводимость. Физические явления, сопровождающие сверхпроводимость. Основные характеристики сверхпроводников.
36. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода
37. Критические параметры сверхпроводников
38. Физические причины возникновения сверхпроводимости
39. Макроскопические характеристики магнитных свойств
40. Природа магнитных моментов атомов
41. Физическая природа диамагнетизма
42.Физическая природа парамагнетизма
43. Ферромагнетики. Основные характеристики
44. Физическая природа ферромагнетизма. Спиновые волны.
45. Ферримагнетики. Кристаллическая структура, свойства.
46. Антиферромагнетики. Кристаллическая структура, свойства
47. Диэлектрики в статических электрических полях. Основные макроскопические характеристики.
48. Виды поляризации диэлектриков.
49. Электронная поляризуемость.
50. Ионная поляризуемость
51. Ориентационная поляризуемость
52. Диэлектрическая проницаемость твердых тел
53. Диэлектрики в переменных электрических полях, основные макроскопические характеристики
54. Резонансное поглощение электромагнитной энергии
55. Дипольная релаксация. Диэлектрические потери в полярных диэлектриках
56. Спонтанная поляризация. Общая характеристика пиро и сегнетоэлектриков
57. Основные характеристики сегнетоэлектриков. Доменная структура
58. Пьезоэлектрики.
59. Макроскопические характеристики магнитных свойств
60. Природа магнитных моментов атомов
61. Физическая природа диамагнетизма
62.Физическая природа парамагнетизма
63. Ферромагнетики. Основные характеристики
64. Физическая природа ферромагнетизма. Спиновые волны.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература (не более 3 наименований)
1. Ормонт в физическую химию и кристаллохимию полупроводников . М.: Высш. шк. 1с.
2. Шаскольская . М.: Высшая школа. 1984 . 376 с.
3. Кнотько твердого тела :/, , . М. : Академия. 20с.
4. , , Смирнов твердого тела. Уч. пособие. Иваново. 20с.
5. , Хунджуа по физике твердого тела. М.: Изд-во МГУ. 1988 . 233 с.
6. , Хохлов твердого тела . М.: Высш. шк. 2000 . 494 с.
б) дополнительная литература:
1. Гантмахер, в неупорядоченных средах М.: ФИЗМАТЛИТ. 20с.
2. Свободные электроны в твердых телах . М.: Мир. 1982 . 270 с. (1)
3. , Перель,, физики полупроводников .— М.: Физматлит, 2009 .— 336 с. (1)
в) отечественные и зарубежные журналы по дисциплине, имеющиеся в библиотеке
1) Радиотехника и электроника;
2) Радиотехника.
г) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Электронно-библиотечная система издательства «Лань».
2. Тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю;
3. Автономный гипертекстовый электронный учебник http://plasma. *****;
4. СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista
5. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007 Pro, FireFox
6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro, SunRAV TestOfficePro.
д) методические пособия для самостоятельной работы студента, для преподавателя
1. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1977. – 672 с.: ил.
2. Глазенко, и основы электроники [Текст] : учеб. пособие / , .- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 19с. : ил.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
№ ауд. | Основное оборудование, стенды, макеты, компьютерная техника, наглядные пособия и другие дидактические материалы, обеспечивающие проведение лабораторных и практических занятий, научно-исследовательской работы студентов | Основное назначение (опытное, обучающее, контролирующее) и краткая характеристика использования при изучении явлений и процессов, выполнении расчетов |
1-301 | Лаборатория «Электричество и магнетизм»: универсальные стенды – 10 шт. | – расчеты плотностей токов, проводимости металлов и полупроводников при разных температурах и обратные задачи по определению и оценке подвижности, частот столкновений, длин свободных пробегов; – оценки параметров полупроводников по данным эффекта Холла; – определение концентраций носителей зарядов в зонах при различных температурах для полупроводников n–p типа, содержащих различные примеси; |
1-213 | Лаборатория «Компьютерные технологии в производстве и бизнесе»: проектор PT-LB10NTE Panasonic - 1 шт., компьютеры Intel Pentium4 2200 MGhz - 1, Celeron 2200 MGhz - 7, Duron 650 MGhz – 1; | Демонстрация фильмов по разделам дисциплины. |
1-302 | Лаборатория «Оптика»: Установка для определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки (2 шт.) Установка для изучения внешнего фотоэффекта (2 шт.) Установка для определения коэффициента черноты вольфрама (2 шт.) Установка для проверки закона Малюса. (2 шт.) Установка для определения постоянной Ридберга (2 шт.) Установка для определения коэффициента поглощения гамма-лучей (2шт.) | – оценки величин поляризуемости и диэлектрических характеристик вещества по экспериментальным данным; – оценки условий возникновения спонтанной поляризуемости; – расчеты фотопроводимости по известным характеристикам генерации и рекомбинации неравновесных носителей зарядов; – оценки толщины области фотопроводимости; – анализ зонной структуры по спектрам поглощения и фотопроводимости и обратная задача – определение полос поглощения в спектре по данным о зонной структуре. |
