Рабочая программа учебной дисциплины физика твердого тела

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-технический факультет

Кафедра прикладной и теоретической физики

“УТВЕРЖДАЮ”

Декан ФТФ

___________

“___” __________2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

ООП по направлению 200600 – ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

бакалавр ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ (ФТФ)

Курс 2 семестр 4

Лекции час.

Практические занятия час

Лабораторные работы часа

Контрольные работы – 1

Самостоятельная работа часов

Экзамен – 4 семестр

Всего часов.

Новосибирск, 2010 г.

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 200600 – ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры прикладной и теоретической физики ______________ 2010 года

Программу разработал:

к. ф.-м. н ёв

Заведующий кафедрой

д. ф.-м. н., профессор,

Ответственные за основную

образовательную программу

доцент

1.  внешние требования к курсу

Основные требования к курсу определяются положениями Государственного образовательного стандарта по направлению 200600 – Фотоника и оптоинформатика

1.3.1. Область профессиональной деятельности

Область профессиональной деятельности выпускника включает исследования, разработку, создание и эксплуатацию новых оптических материалов, технологий, приборов и систем для передачи, приема, обработки и хранения информации на основе фотоники и оптоинформатики.

1.3.2. Объекты профессиональной деятельности

Объектами профессиональной деятельности выпускника являются:

·  элементная база, системы, методы, материалы и технологии, обеспечивающие оптическую передачу, прием, обработку и хранение информации;

·  элементная база и системы преобразования и отображения информации;

·  элементная база, системы и технологии интегральной, волоконной и градиентной оптики, а также микрооптики;

·  элементная база полупроводниковых, волоконных и планарных лазеров;

·  элементная база и системы на основе наноразмерных и фотонно-кристаллических структур;

·  устройства и системы на основе когерентной оптики и голографии;

·  системы оптических и квантовых вычислений и оптические компьютеры;

·  оптические системы искусственного интеллекта.

1.3.3. Виды профессиональной деятельности

Бакалавр по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика может быть подготовлен к выполнению следующих видов профессиональной деятельности:

·  научно-исследовательская;

·  проектно-конструкторская;

·  производственно-технологическая;

·  организационно-управленческая.

Конкретные виды деятельности выпускника определяются содержанием основной образовательной программы, разрабатываемой вузом.

1.3.4. Обобщенные задачи профессиональной деятельности выпускника

Выпускник по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика в зависимости от вида профессиональной деятельности подготовлен к решению следующих профессиональных задач:

а) научно-исследовательская деятельность:

·  анализ поставленной задачи исследований в области фотоники и оптоинформатики на основе подбора и изучения литературных и патентных источников;

·  построение математических моделей для анализа свойств объектов исследования и выбор численного метода их моделирования, разработка алгоритма решения задачи;

·  разработка отдельных блоков программ, их отладка и настройка для решения отдельных задач фотоники и оптоинформатики, включая типовые задачи проектирования, исследования и контроля элементов, устройств и систем фотоники и оптоинформатики;

·  выполнение математического (компьютерного) моделирования с целью анализа и оптимизации параметров объектов фотоники и оптоинформатики на базе имеющихся средств исследований и проектирования, включая стандартные пакеты автоматизированного проектирования и исследований;

·  проведение исследований различных объектов фотоники и оптоинформатики по заданной методике с выбором технических средств и обработкой результатов;

·  составление описаний проводимых исследований и разрабатываемых проектов, подготовка данных для составления отчетов, обзоров и другой технической документации;

·  осуществление наладки, настройки и опытной проверки отдельных видов элементов, устройств и систем фотоники и оптоинформатики в лабораторных условиях и на объектах;

б) проектно-конструкторская деятельность:

·  анализ поставленной проектной задачи в области фотоники и оптоинформатики на основе подбора и изучения литературных и патентных источников;

·  участие в разработке функциональных и структурных схем на уровне узлов, элементов, систем и технологий фотоники и оптоинформатики по заданным техническим требованиям;

·  проектирование и конструирование в соответствии с техническим заданием типовых отических и оптоинформационных систем, деталей и узлов на схемотехническом и элементном уровнях с использованием стандартных средств компьютерного проектирования; проведением проектных расчетов и предварительным технико-экономическим обоснованием конструкций;

·  составление отдельных видов технической документации на проекты, их элементы и сборочные единицы, включая технические условия, описания, инструкции и другие документы;

·  участие в монтаже, наладке, испытаниях и сдаче в эксплуатацию опытных образцов;

в) производственно-технологическая деятельность:

·  внедрение технологических процессов производства и контроля качества оптических материалов, оптического волокна и покрытий, а также оптических элементов и устройств различного назначения;

·  расчет норм выработки, технологических нормативов на расход оптических материалов, заготовок, инструмента, выбор типового оборудования, предварительная оценка экономической эффективности техпроцессов;

·  разработка технических заданий на конструирование отдельных узлов приспособлений, оснастки и специального инструмента, предусмотренных технологией;

·  участие в работах по доводке и освоению техпроцессов в ходе технологической подготовки оптического производства;

г) организационно-управленческая деятельность:

·  участие в организации работы производственных коллективов;

·  разработка планов на отдельные виды конструкторско-технологических работ и контроль их выполнения, включая обеспечение соответствующих служб необходимой технической документацией, материалами, оборудованием;

·  нахождение оптимальных решений при создании отдельных видов оптической продукции с учетом требований качества, стоимости, сроков исполнения, конкурентоспособности и безопасности жизнедеятельности;

·  установление порядка выполнения работ и организация маршрутов технологического прохождения элементов и узлов приборов и систем фотоники и оптоинформатики в процессе их изготовления, а также технологического процесса синтеза материалов;

·  осуществление технического контроля и участие в управлении качеством производства оптической продукции.

·  составление технического задания и бизнес-плана на научно-исследовательскую, проектно-конструкторскую производственно-технологическую деятельность.

7.1. Требования к профессиональной подготовленности бакалавра

Выпускник должен обладать профессиональными знаниями и умениями, которые необходимы ему при решении задач, соответствующих квалификационной характеристики выпускника, указанной в п. 1.3. настоящего государственного образовательного стандарта.

Бакалавр по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика в зависимости от содержания основной образовательной программы должен

знать:

·  основные тенденции и направления развития оптической, лазерной, телекоммуникационной и вычислительной техники, оптического материаловедения, оптических и информационных технологий;

·  фундаментальные основы оптической физики, физики твердого тела, фотоники, физики и техники оптической связи, теории информации, архитектуры вычислительных систем;

·  принципы построения и работы систем оптической передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации, методы защиты информации;

·  математический аппарат, базовые языки и основы программирования, типовые программные продукты, ориентированные на решение научных задач фотоники и оптоинформатики;

·  методы и принципы оптико-физических исследований и измерений;

·  основные принципы построения, методы проектирования и расчета оптико-информационной техники на базе системного подхода, включая этапы функционального, конструкторского и технологического проектирования на уровне элементов и узлов, требования стандартизации технической документации;

·  элементную базу оптических, телекоммуникационных и вычислительных систем, информационной техники;

·  типовые и новейшие технологические процессы и оборудование по профилю специальной подготовки;

·  методы технико-экономического обоснования проектов, организации производства, основы маркетинга

владеть:

·  методами и навыками использования компьютерных систем проектирования и исследования оптической, лазерной, телекоммуникационной и вычислительной техники, оптических материалов и технологий;

·  методами проведения оптико-физических исследований и измерений, включая применение готовых методик, технических средств и обработку полученных результатов;

·  типовыми методиками оценки технико-экономической эффективности проектов, технологических процессов и эксплуатации устройств и систем фотоники и оптоинформатики;

·  общими правилами и методами наладки, настройки и эксплуатации устройств и систем фотоники и оптоинформатики для решения различных задач.

ТРЕБОВАНИЯ К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПОДГОТОВКИ БАКАЛАВРА ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ  200600 - ФОТОНИКА и ОПТОИНФОРМАТИКА

Индекс	Наименование дисциплин и их основные разделы	Всего часов
ЕН	Общие математические и естественно-научные дисциплины	2210
ЕН. Ф. 00	Федеральный компонент	1960
ЕН. Ф. 07	Физика твердого тела симметрия структуры и свойств твёрдых тел: трансляционная и точечная симметрия, классы и пространственные группы кристаллов, симметрия оптических свойств, принцип Неймана; экспериментальные методы исследования структуры кристаллов и стёкол: дифракционные методы, формула Вульфа-Брэгга, зондовая микроскопия; структурные модели кристаллов и стёкол: типы химической связи в твёрдом теле, плотнейшие упорядоченная и неупорядоченная упаковки, стохастические методы моделирования структуры неупорядоченных материалов; колебания решёток и неупорядоченных структур: модель Дебая, оптические и акустические колебания, фононы, экспериментальные методы исследования колебательного спектра твёрдых тел, специфика колебательных спектров стёкол; электронные возбуждения в твёрдых телах и их оптические свойства: энергетические зоны, металлы, полупроводники и диэлектрики, свойства носителей, форма края поглощения света кристаллами, экситоны, влияние разупорядоченности материала на зонную структуру и оптические свойства, локальные оптические центры, передача возбуждений между локальными центрами; дефекты в кристаллах: классификация дефектов, центры окраски, дислокации, кристаллические блоки, экспериментальные методы наблюдения и исследования дефектов; физика прочности твёрдых тел: формула Журкова, роль поверхности, методы упрочнения материалов, термопрочность	130

Приведенные требования ГОС к профессиональной подготовленности бакалавра, а также требования ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки бакалавра по указанному направлению – определяют содержание курса. В соответствии с ГОС курс входит в число дисциплин обязательных федеральных компонентов ЕН. Ф.07 Физика твердого тела по направлению 200600 «Фотоника и оптоинформатика» и играет роль фундаментальной базы, без которой невозможна успешная профессиональная деятельность инженера любого профиля.

2.  Содержание курса

Неделя	Лекции	Ч	Практические (семинарские) занятия	Ч	Номер и название лаб. работ	Ч
1 неделя	Кристаллические решетки. Кристаллические структуры. Базис. Вектор трансляции. Кристаллическая ячейка. Решетки Браве. Индексы Миллера. Точечная симметрия кристалла. Неточечные элементы симметрии. Пространственная группа.	2	Основы квантовой механики. Электрон в квантовой яме. Потенциальный барьер. Туннельный эффект.	2
2 неделя	Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Закон Вульфа-Бреггов. Методы рентгеноструктурного анализа. Обратная решетка кристалла. Дифракция по Лауэ. Сфера Эвальда.	2			Л. р. № 40 Определение ширины запрещенной зоны полупроводника.	4
3 неделя	Природа сил взаимодействия атомов в кристаллах. Колебания одномерной простой решетки. Закон дисперсии. Условия цикличности Борна-Кармана. Плотность числа колебаний. Колебания сложной одномерной решетки. Акустические и оптические ветви колебаний. Понятие о нормальных колебаниях. Фононы.	2	Теория возмущений. Статические возмущения.	2
4 неделя	Электрон в идеальном кристалле. Теорема Блоха. Квазиимпульс. Условия Борна-Кармана. Зона Бриллюэна. Модели сильно и слабо связанных электронов. Закон дисперсии вблизи экстремальной точки. Тензор эффективных масс. Зонные структуры германия, кремния, арсенида галлия, арсенида индия и др.	2
5 неделя	Статистические свойства носителей заряда. Заполнение зон. Дырки. Распределение Ферми. Собственные и примесные полупроводники. Вырожденный электронный газ.	2	Нестационарная теория возмущений. Теория квантовых переходов.	2
6 неделя	Явления переноса. Кинетическое уравнение Больцмана. Интеграл столкновений. Время релаксации импульса. Время релаксации для различных механизмов рассеяния. Формула Друде. Эффект Холла. Магнитосопротивление.	2			Л. р. № 41. Эффект Холла	4
7 неделя	Оптика полупроводников. Поглощение света свободными носителями. Поглощение света в магнитном поле. Циклотронный резонанс. Эффект вращения Фарадея.	2	Решение задач.	2
8 неделя	Межзонное поглощение света. Прямые разрешенные и прямые запрещенные переходы. Частотная зависимость коэффициента поглощения света вблизи фундаментальной полосы.	2
9 неделя	Межзонное поглощение света при непрямых переходах.	2	Решение задач.	2
10 неделя	Кулоновские эффекты в поглощении света. Экситон.	2			Л. р № 42 Спектральная характеристика фоторезистора	4
11 неделя	Межзонное поглощение света в однородном электрическом поле (эффект Франца-Келдыша) и квантующем магнитном поле.	2	Решение задач.	2
12 неделя	Фотонные кристаллы.	2
13 неделя	Неупорядоченные полупроводники. Электронные и оптические свойства (обзорная лекция).	2	Решение задач.	2
14 неделя	Дефекты в кристаллах. Прочность твердых тел. (обзорная лекция).	2			Л. р № 44 Электрон-дырочный переход	4

3. ПРАВИЛА АТТЕСТАЦИИ СТУДЕНТОВ

В настоящем разделе, приведены основные положения рейтинговой системы контроля качества подготовки студентов при изучении ими курса физики твердого тела.

Экзамен по курсу физики твердого тела проводится в конце четвертого семестра, в сессию. К экзамену получают допуск студенты, успешно выполнившие учебный план семестра: 1) проделавшие и защитившие лабораторные работы, получившие по физическому практикуму зачет, 2) посещавшие практические занятия и как минимум, удовлетворительно решавшие задачи.

Основные положения рейтинговой системы контроля от семестра к семестру изменяются незначительно и состоят в следующем.

Основные положения рейтинговой системы обучения
и контроля знаний по общему курсу физики

1.  С помощью рейтинговой системы проводится непрерывный контроль качества подготовки студентов при изучении ими курса физики твердого тела.

2.  Результаты контроля с использованием рейтинговой системы в конце каждой контрольной недели сообщаются в деканат и студентам.

3.  Оцениваются в баллах следующие виды деятельности студентов:

·  посещение семинарских занятий и работа на них – 40 баллов за семестр;

·  выполнение лабораторных работ физического практикума – 35 баллов за семестр;

·  сдача экзамена в сессию – 25 баллов.

Полная максимальная сумма баллов до экзамена, которую может набрать студент, – 75. С учётом экзамена – 100 баллов.

4. По текущим результатам применяющейся рейтинговой системы деканат ФТФ может принять соответствующие меры к неуспевающим студентам.

Сами студенты могут чётко представить себе, как происходит их учёба, в чём им следует подтянуться, на что обратить внимание.

5.  Условие допуска к экзамену: необходимо набрать за семестр по всем видам учебной работы, как минимум, 45 баллов (в том числе выполнить и защитить все лабораторные работы физического практикума).

6.  Критерии выставляемой на экзамене оценки:

·  85 – 100 баллов – отлично;

·  70 – 85 баллов – хорошо;

·  50 – 70 баллов – удовлетворительно.

4. Рекомендуемая литература.

1)  «Введение в теорию полупроводников»

2)  Ч. Киттель «Введение в физику твердого тела»

3)  -Бруевич, «Физика полупроводников»

4)  «Физика полупроводников»