УТВЕРЖДАЮ
Директор ИФВТ
___________
«___»_____________2014 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Радиационные эффекты в твердых телах
НАПРАВЛЕНИЕ 210100 Электроника и наноэлектроника
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ Физическая электроника
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) магистр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2014 г.
КУРС 5 СЕМЕСТР 10
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 3
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б4.3. «Физика», В.4.3. «Спецглавы математики. Численные методы анализа», Б7.0. «Физика конденсированного состояния», М1.В5 «Взаимодействие излучений с веществом».
КОРЕКВИЗИТЫ М2.В1.2. «Экспериментальные методы в сильноточной электронике
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 16 час.
Практические занятия 16 час.
Лабораторные работы 16 час
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 48 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 60 час.
ИТОГО 108 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра сильноточной электроники ИФВТ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ ____________
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП ____________
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ____________
2014 г.
1. Цели освоения дисциплины
1. Формирование целостных представлений о фундаментальных понятиях, законах и теориях физики твердого тела, свойствах и механизмах радиационного создания структурных нарушений, а также о методах исследования материалов
2. Формирование навыков оценивания и расчета основных параметров физических процессов, индуцированных в конденсированных средах сильноточными электронными пучками.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Общенаучный цикл М1, имеет реквизит М1.В2, , пререквизиты Б4.3. «Физика», В.4.3. «Спецглавы математики. Численные методы анализа», Б7.0. «Физика конденсированного состояния», М1.В5 «Взаимодействие излучений с веществом». Кореквизиты М2.В3 «Экспериментальные методы в сильноточной электронике».
Курс «Радиационные эффекты твердых телах» предназначен дать представление об основных понятиях и идеях современной физики конденсированного состояния вещества, подготовить студентов к самостоятельному изучению оригинальных работ в области физики взаимодействия конденсированных сред с сильноточными импульсными пучками заряженных частиц, выполнению технологических задач, овладению методами решения задач по физике твердого тела, методами постановки физического эксперимента.
Для успешного освоения дисциплины «Радиационные эффекты твердых телах» студенты должны
знать:
- дифференциальное и интегральное исчисление;
- общую физику, основы микроэлектроники, теоретические основы электротехники в объеме, предусмотренном для бакалавров техники и технологии;
уметь:
- работать на ПК в современных операционных средах;
- использовать стандартные пакеты прикладных программ для решения практических задач.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины (модуля) направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты обучения (компетенции из ФГОС) | Составляющие результатов обучения | |||||
Код | Знания | Код | Умения | Код | Владение опытом | |
Р1 | З.1.1 | Основные законы естественнонаучных и профессиональных дисциплин в области физики плазмы, сильноточных электронных пучков и пучково-плазменных технологий. | У.1.1 | Определять, систематизировать и получать необходимые данные в сфере профессиональной деятельности с использованием со-временных информационных средств и методов. | В.1.1 | Методами физико-математического моделирования процессов и объектов по направлению профессиональной деятельности. |
Р2 | З.2.1 | Знать современное состояние, теоретические и экспериментальные работы в профильной области, явления и методы исследований | У.2.1 | Анализировать и обобщать научно-техническую информацию в профессиональной деятельности, выделять наиболее перспективные направления исследований в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий. | В.2.1 | Навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении. |
Р3 | З.3.1 | Основные понятия и закономерности в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий.
| У.3.1 | Обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющихся литературных данных. | В.3.1 | Опытом научно-исследовательской и проектной деятельности в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий. |
Р7 | З.7.1 | Порядок пользования реферативными, периодическими, монографическими ресурсами. | У.7.1 | Самостоятельно получать знания, необходимые для профессиональной деятельности. | В.7.1 | Современной вычислительной и информационной техникой. |
Р8 | З.8.1 | У.8.1 | Эффективно работать самостоятельно в качестве члена команды по междисциплинарной тематике. | В.8.1 | Способностью консультировать по вопросам проектирования научных исследований. |
В результате освоения дисциплины «Радиационные эффекты твердых телах» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п | Результат |
РД1 | Знать строение и свойства электронной и ядерной подсистем основных типов кристаллических сред; физические основы работы типичных твердотельных устройств. |
РД2 | Знать природу основных физических явлений, возникающих в материалах под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц, и математический аппарат для их описания; |
РД3 | Уметь проводить экспериментальные измерения при проведении исследований индуцированных импульсной радиацией быстропротекающих процессов в полупроводниках и диэлектриках. |
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Описание структуры кристаллов. Кристаллическая структура твердых тел и их форма. Трансляции и кристаллическая решетка. Операции симметрии. Элементарная ячейка. Основные типы кристаллических решеток. Положение и ориентация плоскостей в кристаллах. Индексы Миллера. Типы межатомных связей. Классификация твердых тел по типам связи. Вандерваальсово взаимодействие. Ковалентная связь. Ионная связь. Водородная связь. Металлическая связь. Динамика кристаллической решетки. Упругие волны в кристаллах. Колебания одно - и двухатомной линейной цепочки. Фононы. Теплопроводность кристаллов. Структура реальных кристаллов. Дефекты кристаллической решетки. Структурные точечные дефекты в кристаллах с одноатомной решеткой, ионных кристаллах
Раздел 2. Зонная теория твердых тел. Динамика движения электронов. Образование энергетических зон в упрощенной модели металлических кристаллов. Число уровней в зоне. Металлы и диэлектрики. Поверхность Ферми. Дырки. Эффективная масса. Плотность состояний. Образование энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках. Образование локальных уровней точечных дефектов в зонной схеме.
Раздел 3. Воздействие плотных импульсных электронных пучков на материалы. Действие радиации на электронную и ионную подсистемы твердых тел. Электрон-электронная релаксация. Элементарные стадии. Электрон-фононная релаксация. Электронные возбуждения в ионных кристаллах. Собственные электронные возбуждения. Размножение электронных возбуждений. Свободные и локализованные экситоны. Автолокализация дырок и экситонов в ЩГК.
Раздел 4. Тепловой нагрев и электризация диэлектрических кристаллов при импульсном электронном облучении; радиационно-индуцированная проводимость. Электроразрядный механизм хрупкого разрушения твердых тел.
Раздел 5. Катодолюминесценция. Основные понятия. Энергетический выход, принцип Франка-Кондона; тушение люминесценции. Типы внутрицентровых излучательных переходов. Основные этапы радиолюминесценции: генерационный, миграционный, внутрицентровой. Зависимость выхода от температуры, плотности возбуждения. Кинетика люминесценции. Техника измерения параметров люминесценции.
Раздел 6. Радиационное окрашивание. Законы поглощения света. Центры окраски. Пространственная и энергетическая структура простейших и сложных собственных центров окраски в ионных кристаллах. Техника оптико-абсорбционной спектроскопии с временным разрешением. Закономерности создания и эволюции короткоживущих радиационных дефектов в ионных кристаллах. Особенности радиационного дефектообразования в кристаллах двойных оксидов, полупроводников.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1. Текущая СРС:
- работа с лекционным материалом;
- подготовка к контрольным работам, экзамену;
- обзор литературы и электронных источников информации по индивидуальному домашнему заданию;
- опережающая самостоятельная работа;
- выполнение домашних заданий, а также изучение тем, не входящих в состав дисциплины, но рекомендуемых для расширения кругозора.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР):
- выполнение индивидуального задания;
- подготовка к конференции.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
1. Тематика индивидуальных заданий:
Подготовить реферат и доклад на тему:
1. Образование энергетических зон в металлах, полупроводниках и диэлектриках;
2. Типы межатомных связей в твердых телах;
3. Структурные точечные дефекты в кристаллах с одноатомной решеткой, ионных кристаллах;
4. Механизмы создания радиационных дефектов в ЩГК;
5. Импульсный катодолюминесцентный метод анализа неорганических материалов;
6. Собственная и примесная проводимость полупроводников;
7. Сцинтилляторы на основе щелочно-галоидных кристаллов.
2. Темы, выносимые на самостоятельную проработку.
- «Аналитическое описание кинетики рекомбинационной люминесценции».
- «Электронные возбуждения в ионных кристаллах».
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
Для закрепления теоретического материала, выполнения отчетов по лабораторным работам по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, библиотеками лабораторий кафедры, возможностями дисплейного класса кафедры, где имеются программа, методические указания по лабораторным работам, методические пособия и контролирующие материалы по дисциплине. Студенты имеют возможность получить консультации по вопросам дисциплины, как у ведущего лектора, так и зав. лабораторией.
Составляющие самостоятельной работы:
- Закрепление теоретического материала при подготовке к лекциям, контрольным работам;
- Выполнение индивидуального задания.
Контроль заключается в оценке качества выполнения студентами вышеперечисленных пунктов.
8. Средства (ФОС) текущей и промежуточнойтоценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
Контрольная работа | РД1 |
Защита индивидуального задания | РД2 |
Зачет | РД3 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств[1]) (с примерами):
Примеры вопросов для проверки текущей успеваемости:
1. Оцените ширину возбужденного энергетического уровня электрона в атоме, если время нахождения атома в возбужденном состоянии 
10-8 с?
2. Сколько атомов содержится в каждой элементарной ячейке кристалла, если она является: а) простой; б) объемно центрированной; в) гранецентрированной кубической ячейкой?
3. Как изменяется положение уровня Ферми с ростом температуры? Что такое температура вырождения?
4. Вычислить объем элементарной ячейки в кристалле гексагональной системы с постоянными а и с.
5. Отв.: 
.
6. Показать, что для идеальной гексагональной структуры с плотной упаковкой с/а = 1,633.
7. Какие плоскости в структуре гранецентрированного куба и объемноцентрированного куба имеют наибольшую плотность упаковки атомов? В каких направлениях в этих плоскостях линейная плотность расположения атомов максимальна?
8. Что понимается под дыркой в модельных представлениях об электропроводности кристалла?
9. Как и во сколько раз изменится вероятность заполнения электроном энергетического уровня в металле, если он расположен на 0,1 эВ выше уровня Ферми и температура изменяется от 1000 до 300 К?
10. Отв.: уменьшится в 11,4 раза.
11. Как образуются зоны разрешенных энергий электронов в кристаллах?
12. В чем смысл адиабатического и одноэлектронного приближений при решении уравнения Шредингера для электрона в кристалле? Вид волновой функции и энергии в рамках этих приближений.
13. Чем отличаются зонные схемы для полупроводников, диэлектриков и металлов?
14. Перечислите различные типы локальных уровней энергии электронов в запрещенной зоне.
15. Как влияет температура на концентрацию свободных электронов в примесном полупроводнике?
Итоговый контроль (примеры вопросов на экзамене):
Экзаменационный билет № 2
1. Типы межатомных связей. Ионная связь; водородная связь.
2. Динамика кристаллической решетки; колебания двухатомной линейной цепочки, оптическая и акустическая ветви закона дисперсии.
3. Дефекты Френкеля, Шоттки. Энергия образования, механизмы миг рации междоузельных атомов и вакансий.
Экзаменационный билет № 6
1. Понятие кристаллической структуры. Операции симметрии.
2. Решеточная теплоемкость; модель Дебая.
3. Оптические свойства дефектов. Поглощение света анионными вакансиями, F центрами.
Экзаменационный билет № 7
1. Двумерные кристаллические решетки Бравэ.
2. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц; понятие фозовой и групповой скоростей.
3. Оптические переходы с поглощением фотонов в модели конфигурационных кривых. Принцип Франка-Кондона, зависимость характеристик полос поглощения от температуры.
Экзаменационный билет № 9
1. Взрывная эмиссия электронов. Эмиссия электронов из плазмы.
2. Соотношение электрических и магнитных сил в вакуумном диоде.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от 01.01.2001 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
ЛИТЕРАТУРА ОСНОВНАЯ
1. Введение в физику твердого тела, Москва «Наука», 1989
2. Пичугин и свойства кристаллов и неупорядоченных материалов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2003. - 273 с.
3. Блейкмор Дж. Физика твердого тела, Москва, «Мир», 1988
4. Гуревич твердого тела./ФТИ им. ПАН. – СПб.:Невский Диалект; БХВ-Петербург, 2004. -320 с.:ил.
5. , Салецкий и ее измерения: Молекулярная люминесценция. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 272 с. – ISBN 5-211-00373-X.
ЛИТЕРАТУРА ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Киреев полупроводников. Учебн. пособие для втузов. М:, «Высшая школа», 1975
2. Физика твердого тела, М:. Мир. 1969
3. Орешкин полупроводников и диэлектриков, М:, «Высшая школа», 1975
4. Левич теоретической физики, Том 1, Москва «Наука», 1969
5. Электронные процессы в ионных кристаллах. М.: ИЛ. 1950
6. Медведев в технологию полупроводниковых материалов, М., «Высшая школа», 1970
7. Горбачев, , Физика полупроводников и металлов, М.: Металлургия, 1976
8. Статистическая физика твердого тела, М:. Мир. 1975
9. , , Серов твердого тела, Уч. пособ. Для втузов, М.: Высш. шк., 2001-237с.
10. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир. т. т.1,2.1982
11. Бонч-, , Физика полупроводников М.: Наука, 1977
12. Современная физика. Квантовая физика атомов, твердого тела и ядер. - М.: Наука, 1974.
13. Шалимова полупроводников. - М.: Энергия, 1971.
14. Болтакс и точечные дефекты в полупроводниках. - Л.: Наука, 1972.
15. Тареев диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат, 1982.
16. , Сорокин электронной техники. - М.: Высш. школа, 1986.
17. Гурвич в физическую химию кристаллофосфоров. - М.:Высш. шк, 1982.
18. .Воробьев окраски в щелочногалоидных кристаллах. Томск. Изд. ТГУ. 1968. 390 стр.
19. Стоунхэм дефектов в твердых телах (в двух томах). М. Мир. 1978.
20. , Лущик электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах. М. Наука. 1989. 262стр.
21. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М. Мир. 1971.
22. , , Яковлев первичной радиационной дефектности в ионных материалах. //Изв. Вузов. Физика. -1996. -11. - с.5-29.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Экспериментально-исследовательское оборудование отделов и лабораторий ИСЭ СО РАН.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки:
направление 210100 Электроника и наноэлектроника,
профиль подготовки Физическая электроника
Программа одобрена на заседании кафедры сильноточной электроники ИФВТ ТПУ (протокол г.).
Автор:
Рецензент(ы) __________________________
[1] Элементы фонда оценивающих средств:
- вопросы входного контроля;
- контрольные вопросы, задаваемых при выполнении и защитах лабораторных работ;
- контрольные вопросы, задаваемые при проведении практических занятий,
- вопросы для самоконтроля;
- вопросы тестирований;
- вопросы, выносимые на экзамены и зачеты и др.
