Рабочая программа модуля (дисциплины) Физика твердого тела

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

УТВЕРЖДАЮ Директор ФТИ _____________ «_____»___________2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА МОДУЛЯ (ДИСЦИПЛИНЫ) Физика твердого тела НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП 140800 «Ядерные физика и технологии» ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА) Радиационная безопасность человека и окружающей среды, Физика атомного ядра и частиц КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г. КУРС III СЕМЕСТР VI КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 3 ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б1, Б2.Б5, Б3.Б6, Б3.Б8, Б3.В.1.2, Б3.В.1.3 КОРЕКВИЗИТЫ Б3.В.1.4, Б3.В.1.8 ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: Лекции 18 час. Практические занятия 9 час. Лабораторные занятия________18 час. АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 45 час. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 45 час. ИТОГО 90 час. ФОРМА ОБУЧЕНИЯ Очная ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ зачет (6 сем) ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Прикладной физики ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ООП Ливенцов C. Н. ПРЕПОДАВАТЕЛЬ 2011 г.

1. Цели освоения модуля (дисциплины)

Задачей курса “Физика твердого тела” является формирование физических представлений об основных понятиях и идеях физики твердого тела и методах решения задач.

Цель преподавания дисциплины: формирование физических представлений об основных понятиях и идеях физики твердого тела для применения этих знаний при работе в различных областях науки и техники.

Цели преподавания дисциплины характеризующие знания и умения, которыми должен владеть специалист:

специалист должен иметь представление:

·  о физике твердого тела как разделе физики, ее задачах и методах их решения;

·  об основных процессах происходящих в кристаллах;

·  о видах кристаллических решеток и их основных характеристиках;

·  о динамике кристаллических решеток;

·  о статистике электронов и видах проводимости в различных видах кристаллических веществ;

·  об устройствах, основанных на различных видах проводимости;

2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП

Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Атомная физика”, “Теоретическая физика” и “Статистическая физика”.

специалист должен знать и уметь использовать:

·  основные характеристики и параметры кристаллических твердых тел;

·  виды волн, распространяющихся в кристаллах;

·  статистику носителей заряда в твердых телах;

·  контактные явления на границе кристаллических веществ;

3. Результаты освоения модуля (дисциплины)

«В результате освоения дисциплины студент должен/будет:

знать

·  о физике твердого тела как разделе физики, ее задачах и методах их решения;

·  об основных процессах происходящих в кристаллах;

·  о видах кристаллических решеток и их основных характеристиках;

·  о динамике кристаллических решеток;

·  о статистике электронов и видах проводимости в различных видах кристаллических веществ;

·  об устройствах, основанных на различных видах проводимости;

В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:

1.Универсальные (общекультурные) -

способность/готовность разделять реальный физический мир от виртуального;

2. Профессиональные -

способность/готовность к решению широкого спектра задач через знания устройства окружающих вещей.

4. Структура и содержание модуля (дисциплины)

4.1 аннотированное содержание разделов модуля (дисциплины):

Часть 1.  Типы связей в твердых телах (1 часа)

1.  Основные понятия физики твердого тела -1 часа

Цели и задачи курса. Основные понятия. Кристаллическая структура твердых тел и их форма. Типы межатомных связей Вандерваальсово взаимодействие. Ковалентная связь. Ионная связь. Водородная связь. Металлическая связь. Классификация твердых тел по типам связи.

Часть 2.  Описание структуры кристаллов (3 часа)

1.  Трансляции и типы кристаллических решеток -2 часа

Трансляции и кристаллическая решетка. Операции симметрии. Элементарная ячейка. Основные типы кристаллических решеток. Решетки Браве.

2.  Кристаллографические плоскости, индексы Миллера -1 часа

Положение и ориентация плоскостей в кристаллах. Индексы Миллера и кристаллографические направления. Структуры реальных кристаллов.

Часть 3.  Динамика кристаллической решетки (3 часа)

1.  Колебания однородной цепочки масс -1 часа

Упругие свойства кристаллов. Колебания однородной цепочки масс. Дисперсионное уравнение. Длинноволновой и коротковолновой пределы.

2.  Колебания двухатомной цепочки масс -2 часа

Колебания двухатомной линейной цепочки масс. Длинноволновой и коротковолновой пределы.

Часть 4.  Теплоемкость твердых часа)

1.  Фононы и их статистика, теплоемкость твердых тел -2 часа

Теплоемкость твердых тел. Фононы. Классическая теория теплоемкости. Модель Эйнштейна. Функция и температура Эйнштейна.

2.  Теплоемкость твердых тел, модель Дебая -1 часа

Теплоемкость твердых тел. Модель Дебая. Функция и температура Дебая.

Часть 5.  Дифракция в кристаллах (3 часа)

1.  Условие Брэгга -1 часа

Дифракция в кристаллах. Три вида излучения. Прямое пространство. Условие Брэгга. Факторы рассеяния.

2.  Обратное пространство -2 часа

Обратное пространство. Зоны Бриллюэна. Условие Брэгга в обратном пространстве.

Часть 6.  Электроны в кристалле (2 часа)

1.  Статистика электронов в кристалле -2 часа

Уравнение Шредингера. Адиабатическое приближение. Валентная аппроксимация. Приближение самосогласованного поля. Одноэлектронное приближение. Оператор трансляции. Функции Блоха. Область определения волнового вектора и его дискретность.

Часть 7.  Металлы и полупроводники (4,5 часов)

1.  Виды проводимости -1,5часа

Металлы, диэлектрики, полупроводники. Статистика электронов в металлах. Собственные и примесные полупроводники.

2.  Полупроводники -1 часа

Донорные и акцепторные состояния. Элементарная теория примесных состояний. Поверхностные состояния.

3.  Статистика носителей зарядов в полупроводниках -2 часа

Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Плотность состояний. Концентрация электронов и дырок в зонах. Концентрация электронов и дырок на локальных уровнях. Взаимная компенсация доноров и акцепторов.

Часть 8.  Контактные явления (3 часов)

1.  Эмиссионные процессы с поверхности твердого тела -1 часа

Потенциальные барьеры. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия. Эмиссия во внешнем поле и автоэлектронная эмиссия. Фотоэмиссия. Вторичная электронная эмиссия.

2.  Контактные явления в твердых телах -1 часа

Контактная разность потенциалов. Контакт металл-металл. Контакт металл-полупроводник. p-n - переход. Вольтамперная характеристика p-n –перехода. Диод. Транзистор. Гетеропереходы.

3.  Полупроводниковые приборы -1 часа

Полупроводниковые приборы: тиристоры и динисторы, диоды и их применение, полевые транзисторы.

Структура модуля (дисциплины)

по разделам и формам организации обучения

Название раздела/темы	Аудиторная работа (час)	СРС (час)	Колл, Контр. Р.	Итого
Лекции	Практ./сем. Занятия	Лаб. зан.
1. Типы связей в твердых телах	1	3		7		11
2. Описание структуры кристаллов	3	4		8		15
3. Динамика кристаллической решетки	3	5		8		16
4. Теплоемкость твердых тел	3	5		8		16
5. Дифракция в кристаллах	3	5		8		16
6. Электроны в кристалле	2	5		7		14
7. Металлы и полупроводники	4,5	5,5		7		17
8. Контактные явления	3	5		7		15
Итого	22,5	37,5				120

5. Образовательные технологии

Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих формах деятельности:

·  лекции, нацеленные на получение необходимой информации, и ее использование при решении практических задач;

·  практические занятия, направленные на активизацию познавательной деятельности студентов и приобретения ими навыков решения практических и проблемных задач;

·  консультации – еженедельно для всех желающих студентов;

·  самостоятельная внеаудиторная работа направлена на приобретение навыков самостоятельного решения задач по дисциплине;

·  текущий контроль за деятельностью студентов осуществляется на лекционных и практических занятиях в виде самостоятельных работ (в соответствии с рейтинг-планом дисциплины)

·  рубежный контроль включает контрольные работы, которые проводятся в стандартные сроки этого контроля на Физико-техническом факультете;

·  контроль деятельности студентов проводится в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ, при этом количество баллов, получаемых студентом по каждому виду контроля, определяется в соответствии с рейтинг-планом дисциплины. К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 550 баллов по всем видам контроля.

Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (см. табл 2). Перечень методов обучения и форм организации обучения может быть расширен.

Таблица 2.

Методы и формы организации обучения (ФОО)

ФОО Методы	Лекц.	Лаб. раб.	Пр. зан./ Сем.,	Тр*., Мк**	СРС	К. пр.
IT-методы
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы проблемного обучения.
Обучение на основе опыта	+	+	+
Опережающая самостоятельная работа
Проектный метод		+
Поисковый метод
Исследовательский метод		+	+
Другие методы

* - Тренинг, ** - Мастер-класс

6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

(практические занятия 37,5 часов)

·  Структура кристаллов

·  Химические связи и энергия решетки

·  Динамика кристаллической решетки

·  Теплоемкость твердых тел

·  Электронная теория металлов

·  Зонная структура кристаллов

·  Полупроводники

·  Контактные явления. Потенциальные барьеры. Работа выхода

По каждой теме курса проводится контрольная работа, по которой студент получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ. Программа самостоятельной познавательной деятельности(60 часов)

·  Самостоятельное изучение теоретического материала

Часть теоретического материала предлагается студентам для изучения в часы самостоятельной работы. Общее время самостоятельной работы для этих целей планируется в размере 60часов.

·  Выполнение практических заданий

Общее время самостоятельной работы студента, которое отводится на выполнение практических заданий – 37,5часов.

6.1 Текущая СРС, направленая на углубление и закрепление знаний

студента, развитие практических умений.[1]

- работа с лекционным материалом,

- выполнение домашних заданий,

- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку,

- подготовка к практическим занятиям;

- подготовка экзамену.

6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа

(ТСР), ориентированая на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов. [2]

- поиск, анализ, структурирование и презентация информации,

- выполнение расчетно-графических работ;

- исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах;

- анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме;

6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по модулю (дисциплине)

Для каждого модуля разработаны специальные задания с теоретическими вопросами, упражнениями и задачами (см. материалы текущего и рубежного контроля). Часть задач решается в классе, а часть во время самостоятельной работы. Объем заданий определяется временем, отведенным студенту учебным планом и планом самостоятельной работы. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ.

6.3 Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.

6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

Основная литература:

1.  Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989

2.  Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988

3.  Пичугин и свойства кристаллов и неупорядоченных материалов, Учебное пособие, Томск, ТПУ, 2003

Дополнительная литература:

Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989 Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988 , , Физика твердого тела, Москва, ВШ. 2000 Киреев полупроводников. Учебн. пособие для втузов. М:, «Высшая школа», 1975 Физика твердого тела, М:. Мир. 1969 Левич теоретической физики, Том 1, Москва «Наука», 1969 Горбачев, , Физика полупроводников и металлов, М.: Металлургия, 1976

, Лифшиц физика, Москва, «Мир»

7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения модуля (дисциплины)

Для каждого модуля разработаны специальные задания с теоретическими вопросами, упражнениями и задачами (см. материалы текущего и рубежного контроля).

8. Рейтинг качества освоения модуля (дисциплины)

Приводится рейтинг-план текущей оценки успеваемости студентов в семестре и рейтинг промежуточной аттестации студентов по итогам освоения модуля (дисциплины). В соответствии с рейтинговой системой текущий контроль производится ежемесячно в течение семестра путем балльной оценки качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы) и результатов практической деятельности решение задач, выполнение заданий.

Промежуточная аттестация экзамен производится в конце семестра также путем балльной оценки. Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов текущей оценки в течение семестра и баллов промежуточной аттестации в конце семестра по результатам экзамена. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 1000 баллам (650 – текущая оценка в семестре, 350 – промежуточная аттестация в конце семестра).

Таблица 3

Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение семестра

Недели	Текущий контроль
Теоретический материал	Практическая деятельность	Итого
Разделы	Вопросы	Баллы	Задачи	Задания	Проблемы	Баллы	Баллы
	1	1-4	40		1	0	40	80
	2	5-8	40		2	0	40	80
	3	8-10	40		3	0	40	80
	4	11-13	40		4	0	40	80
	5	14-15	40		5	0	40	80
	6	16-19	40		6	0	40	80
	7	20-22	40		7	0	50	90
	8	23-24	40		8-9	0	40	80
Сумма баллов в семестре						650

Вопросы к экзамену

1.  Назовите основные различия между кристаллическими и аморфными твердыми телами.

2.  Кристаллическая решетка, базис, вектор кристаллической решетки, вектор внутренних смещений.

3.  Типы межатомных связей. Вандерваальсово взаимодействие. Ионная связь.

4.  Типы межатомных связей. Ковалентная и водородная связь. Металлическая связь.

5.  Операции симметрии в кристаллической решетке. Трансляционная симметрия.

6.  Решетка Браве. Основные типы двухмерных решеток Браве и их симметрии.

7.  Решетка Браве. Основные типы трехмерных решеток Браве. Базоцентрированная, объемоцентрированная, гранецентрированная.

8.  Кристаллографическая плоскость и кристаллографическое направление. Индексы Миллера.

9.  Колебания одноатомной линейной цепочки масс. Дисперсионное соотношение. Длинноволновый и коротковолновый пределы.

10.  Колебания двухатомной линейной цепочки масс. Дисперсионное соотношение. Длинноволновый и коротковолновый пределы.

11.  Теплоемкость твердых тел. Фононы. Классическая модель теплоемкости.

12.  Модель теплоемкости Эйнштейна. Функция Эйнштейна. Температура Эйнштейна.

13.  Модель теплоемкости Дебая. Функция Дебая. Температура Дебая.

14.  Дифркация в кристаллах. Три вида излучения для изучения кристаллов. Условие Брэгга.

15.  Обратное пространство. Условие Брэгга в обратном пространстве.

16.  Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера. Валентная аппроксимация. Приближение самосогласованного поля.

17.  Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера. Адиабатическое приближение. Одноэлектронное приближение.

18.  Статистика электронов в кристалле. Уравнение Шредингера. Функции Блоха. Область определения волнового вектора и его дискретность.

19.  Статистика электронов в кристалле. Основные различия между металлами диэлектриками и полупроводниками.

20.  Собственные и примесные полупроводники. Донорные и акцепторные состояния. Элементарная теория примесных состояний.

21.  Статистика носителей зарядов в полупроводниках. Плотность состояний. Взаимная компенсайия доноров и акцепторов.

22.  Потенциальный барьер. Работа выхода. Эмиссиия электронов с поверхности твердого тела.

23.  Контактная разность потенциалов. Контакт металл-металл. Контакт металл-полупроводник.

24.  p-n-переход. Вольтамперная характеристика p-n-перехода. Полупроводниковые приборы.

Дополнительные (устные) вопросы

Объемоцентрированная, базоцентрированная, гранецентрировання решетка.

2. Вектор кристаллической решетки и вектор внутренних смещений.

3. Типы межатомных связей.

4. Сколько основных типов двухмерных решеток Браве?

5. Кристаллографическая плоскость.

6. Кристаллографическое направление.

7. Дисперсионная кривая однородной линейной цепочки масс.

8. Дисперсионная кривая двухатомной линейной цепочки масс.

9. Дисперсионная кривая однородной трехмерной решетки.

10.  Классическая модель теплоемкости.

11.  Основные положения модели теплоемкости Эйнштейна.

12.  Основные положения модели теплоемкости Дебая.

13.  Три вида излучения для изучения кристаллов.

14.  Условие Брэгга.

15.  Условие Брэгга в обратном пространстве.

16.  Валентная аппроксимация.

17.  Приближение самосогласованного поля.

18.  Адиабатическое приближение.

19.  Одноэлектронное приближение.

20.  Функции Блоха.

21.  Собственные и примесные полупроводники.

22.  Потенциальный барьер.

23.  Работа выхода.

24.  Виды эмиссии электронов с поверхности твердого тела.

25.  Контактная разность потенциалов.

26.  Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)

Основная литература:

1.  Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989

2.  Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988

3.  Пичугин и свойства кристаллов и неупорядоченных материалов, Учебное пособие, Томск, ТПУ, 2003

Дополнительная литература:

1.  Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989.

2.  Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988.

3.  , , Физика твердого тела, Москва, ВШ. 2000.

4.  Киреев полупроводников. Учебн. пособие для втузов. М:, «Высшая школа», 1975.

5.  Ziman J. M. Electrons and Phonons, Clarendon Press, Oxford, 2001, p. p.554

6.  Turton R. The Physics of Solids, Oxford University Press, 2000, p. p.418.

7.  Hummel R. E. Electronic Properties of Materials, Springer, 2000, p. p.438.

8.  Peter Y. Yu., Manuel Cardona Fundamentals of Semiconductors, Springer, 2001, p. p.639.

9.  Chihiro Hamaguchi Basic Semiconductor Physics, Springer, 2001, p. p.434

10.  Seeger K. Semiconductor Physics, Springer, 2001, p. p.522.

11.  Kasap S. O. Principles of Electrical Engineering Materials and Devices, McGraw-Hill Higher Education, New York, 2000, p. p.690.

12.  Физика твердого тела, М:. Мир. 1969.

13.  Орешкин полупроводников и диэлектриков, М:, «Высшая школа», 1975.

14.  Левич теоретической физики, Том 1, Москва «Наука», 1969.

15.  Электронные процессы в ионных кристаллах. М.: ИЛ. 1950.

16.  Медведев в технологию полупроводниковых материалов, М., «Высшая школа», 1970.

17.  Фистуль легированные полупроводники. М.: Наука, 1965.

18.  Горбачев, , Физика полупроводников и металлов, М.: Металлургия, 1976.

19.  Статистическая физика твердого тела, М:. Мир. 1975.

20.  , , Серов твердого тела, Уч. пособ. Для втузов, М.: Высш. шк., 2001-237с.

21.  Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир. т. т.1,2.1982.

22.  Бонч-, , Физика полупроводников М.: Наука, 1977.

23.  Современная физика. Квантовая физика атомов, твердого тела и ядер. - М.: Наука, 1974.

24.  Шалимова полупроводников. - М.: Энергия, 1971.

25.  Болтакс и точечные дефекты в полупроводниках. - Л.: Наука, 1972.

26.  Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. - М.: Мир, 1975.

27.  Тареев диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат, 1982.

28.  Преображенский материалы и элементы. - М.: Высш. школа, 1976.

29.  , Сорокин электронной техники. - М.: Высш. школа, 1986.

30.  Гурвич в физическую химию кристаллофосфоров. - М.:Высш. шк, 1982.

10. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)

При проведении практических (семинарских) и лабораторных занятий и чтении лекций используются компьютеры, мультимедиа проигрыватели, корпоративная компьютерная сеть и ИНТЕРНЕТ.

Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки

140800 ЯДЕРНЫЕ ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИИ.

Программа одобрена на заседании кафедры Прикладной физики ФТИ ТПУ (протокол № ______ от «_____» сентября 2010 г.).

Автор _____________________________

Рецензент(ы) __________________________

2 Текущая самостоятельная работа может включать следующие виды работ:

- работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса,

- выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ,

- опережающая самостоятельная работа,

- перевод текстов с иностранных языков,

- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку,

- подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским занятиям;

- подготовка к контрольной работе и коллоквиуму, к зачету, экзамену.

[2] ТСР может включать следующие виды работ по основным проблемам курса:

- поиск, анализ, структурирование и презентация информации,

- выполнение расчетно-графических работ;

- выполнение курсовой работы или проекта, работа над междисциплинарным проектом;

- исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах;

- анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме;

- анализ статистических и фактических материалов по заданной теме, проведение расчетов, составление схем и моделей на основе статистических материалов.