МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

Химический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ______________

"_____"__________________20__ г.

Рабочая программа дисциплины 

Физика полупроводников и сверхпроводников

Направление подготовки

020300 Химия, физика и механика материалов

Квалификация  выпускника

Бакалавр

Форма обучения

очная

Ростов-на-Дону

2010

1. Цели освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Физика полупроводников и сверхпроводников» являются сообщение студентам фундаментальных представлений о теории полупроводников и сверхпроводников и процессах, происходящих в них под действием электрических и магнитных полей. Изучение дисциплины «Физика полупроводников и сверхпроводников» должно способствовать формированию у студентов современного естественнонаучного мировоззрения, освоению ими современного стиля физического мышления, готовить студента к изучению дисциплин профилизации. Приоритетами дисциплины являются явления переноса, зонная теория, статистика электронов и дырок, контактные явления в полупроводниках, поведение сверхпроводников в магнитном поле и теории сверхпроводимости. Контроль знаний студентов осуществляется в форме семинарских занятий (коллоквиумы, контрольные работы) и заканчивается приемом экзамена или зачета.

2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Физика полупроводников и сверхпроводников» относится к вариативной части (дисциплины по выбору студентов) цикла профессиональных дисциплин ООП по направлению 020300 – Химия, физика и механика  материалов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Дисциплина «Физика полупроводников и сверхпроводников» относится к модулю «Физика конденсированного состояния» и изучается во взаимосвязи с квантовой физикой, физикой элементарных частиц, термодинамикой и статистической физикой, кристаллофизикой.

Требуются «входные» знания курсов общей и квантовой физики, термодинамики, статистической физики, кристаллофизики и некоторых разделов математических дисциплин, включая дифференциальное и интегральное исчисление. Студент должен уметь использовать знания, умения и навыки, приобретенные при изучении вышеупомянутых разделов физики, для интерпретации свойств материалов и планирования экспериментальной и теоретической работы.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Физика полупроводников и сверхпроводников».

В результате освоения дисциплины частично формируются следующие компетенции: ОК-1;  ОК-8, ПК-3, ПК-10, ПК-13, ПК-15, ПК-17:

- культура мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

- осознание социальной значимости своей будущей профессии, обладание высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (ОК-8);

- способность использовать в познавательной и в профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ПК-3);

- понимание сущности и социальной значимости профессии, основных перспектив и проблем дисциплин, определяющих конкретную область деятельности (ПК-10);

- использование базовых теоретических знаний фундаментальных разделов физики, химии, математики, механики, биологии и экологии в объеме, необходимом для освоения практических основ различных междисциплинарн. направлений науки о материалах и в нанотехнологиях (ПК-13);

- наличие системных представлений о возможностях применения фундаментальных законов физики, химии, математики и механики для объяснения свойств и поведения широкого спектра разнообразных функциональных материалов и наноматериалов, предназначенных для электроники и здравоохранения (ПК-15);

- грамотное использование профессиональной лексики; владение базовыми письменными и устными навыками одного из распространенных иностранных языков международного научного общения, способность к деловому общению в профессиональной сфере, знание основ делового общения, навыки работы в команде (ПК-17).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

    Знать: физику процессов и явлений, происходящих в полупроводниках и сверхпроводниках.

Уметь: использовать в познавательной и профессиональной деятельности приобретенные базовые знания; на научной основе организовать свой труд; использовать базовые аналитические методы анализа веществ, материалов, наноматериалов и соответствующих процессов с корректной интерпретацией полученных результатов; использовать базовые теоретические знания в объеме, необходимом для освоения практических основ различных междисциплинарных направлений науки о материалах и в нанотехнологиях;

    Владеть: способностью формулирования задач, связанных с реализацией профессиональных функций, а также использованием для их решения методов изученных наук; системными представлениями о возможностях применения фундаментальных законов физики полупроводников и сверхпроводников для объяснения свойств и поведения широкого спектра разнообразных функциональных материалов и наноматериалов, предназначенных для электроники и здравоохранения.


4. Структура и содержание дисциплины 

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы (108 часов). Лекции -3 час., практич. – 16 час., сам. работа – 58 час., зачет.

Дисциплина разбита на 2 внутренних модуля: 1) Физика полупроводников; 2) Физика сверхпроводников.

Модуль 1 «Физика полупроводников»




№

п/п

Раздел

Дисциплины

Семестр

Неделя семестра

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

1

Предмет и задачи курса. Роль полупроводников в науке и технике. Классификация твердых тел по их электрическим свойствам. Основные качественные особен-ности полупроводников. Электронная и дырочная проводимость, диффузия и дрейф, подвижность носителей заряда. Основные полупровод-никовые материалы.

7

1

Лекция: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

4 часа

Входное тестирование № 1

2

Кинетические явления в полупроводниках. Электропроводность. Эффект Холла и магнито - резистивный эффект. Эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье. Эффекты Нернста-Эттингсгаузена и Риги-Ледюка. Движение электрона в постоянных электрическом и магнитном полях.

7

2,

3

Лекция: 4 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

3

Зонная теория полупроводников. Основные представления зонной теории твердого тела. Приближенные методы решения одно-электронного уравнения Шредингера. Волновая функция электрона в периодическом поле. Теорема Блоха. Зоны Бриллюэна.

7

4,5

Лекция: 4 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

4

Энергетические спектры металлов и полупроводников. Эффективная масса электронов и дырок. Основные законы дисперсии.

7

6

Лекция: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

5

Статистика носителей заряда в полупроводни-ках. Плотность квантовых состояний. Распределение Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Концентрации равновес-ных электронов и дырок.

7

7,

8

Лекция: 4 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

6

Неравновесные электроны. Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители. Время жизни неоснов-ных носителей. Уравнения непрерыв-ности.  Квазиуровни Ферми. Фотопроводи-мость. Полупроводни-ковые лазеры.

7

9,

10

Лекция: 4 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

7

Контактные явления на границе металл-полупроводник и

в p – n-переходе.  Амбиполярная диффузия и амбиполярный дрейф.  Длины диффузии и дрейфа. Эффект Дембера.  Фотоэлектро-магнитный эффект. Потенциальные барьеры. Плотность тока. Соотно-шение Эйнштейна.

7

11,

12

Лекция: 4 часа

Семинар: 4 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

6 часов

Рубежное тестирование № 1


Модуль 2 «Физика сверхпроводников»




№

п/п

Раздел

Дисциплины

Семестр

Неделя семестра

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

1

Открытие сверх-проводимости. Низко-температурные и вы-сокотемпературные  сверхпроводники. 

1

Лекция: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота: 

4 часа

Входное тестирование № 2

2

Сверхпроводники в магнитном поле. Критическое поле. Эффект Мейсснера.

7

2,

3

Лекция: 4 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

4 часа

3

Сверхпроводники I и II рода.

7

4, 5

Лекция: 4 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота: 

4 часа

4

Эффект Джозефсона.

7

6

Лекция: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота:

2 часа

5

Теории сверх-проводимости.

Лекция: 2 часа

Семинар: 2 часа

Самостоя-тельная ра-бота: 

4 часа

Рубежное тестирование № 2


Учебно-тематический план семинарских занятий



Тема

№ практи-ческого занятия

Содержание

Объем  в часах

1. Кинетические явления в полупроводниках.

1

Эффекты Холла, Зеебека, Томсона, Пельтье.

2

2. Зонная теория полупроводников.

2

Теорема Блоха. Зоны Бриллюэна. Циклические граничные условия.

2

3. Неравновесные электроны и дырки.

3

Генерация и рекомбинация. Время жизни. Уравнения непрерывности. Фотопроводимость.

2

4. Контактные явления в  полупроводниках.

4

Граница металл-полупроводник. p – n-переход.  Амбиполярные диффузия и дрейф.  Эффект Дембера. Потенциальные барьеры. Плотность тока. Соотношение Эйнштейна.

4

5. Сверхпроводники в магнитном поле.

5

Эффект Мейсснера. «Гроб Магомета». Сверхпроводники I и II рода.

4

6. Теории сверхпроводимости.

6

Теория Бардина, Купера, Шриффера. Теоретические подходы к высоко-температурной сверхпроводимости.


5. Образовательные технологии

В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «020300 Химия, физика и механика материалов» реализуется  компетентностный подход, который  предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения лекций в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся.

Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью (миссией) программы, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин, и в целом в учебном процессе составляют  не менее 30 % аудиторных занятий. Занятия лекционного типа для соответствующих групп студентов составляют 42 % аудиторных занятий.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Примеры тестовых заданий при рубежном контроле знаний.

    Пример теста по теме: «Физика полупроводников и сверхпроводников»
Носители заряда при электронной примесной электропроводности полупроводников возникают за счет переноса электронов: с донорного уровня в зону проводимости; из валентной зоны на акцепторный уровень; из зоны проводимости в валентную зону; из валентной зоны в зону проводимости.
При собственной электропроводности полупроводников носителями заряда являются: только электроны; только дырки; дырки и электроны, концентрация электронов больше; дырки и электроны, концентрации одинаковы.
При примесной дырочной проводимости энергия активации носителей равна энергетическому расстоянию: от валентной зоны до акцепторного уровня; от донорного уровня до зоны проводимости; от акцепторного уровня до донорного уровня; ширине запрещенной зоны.
Какие эффекты и эксперименты позволяют определять тип примесной проводимости полупроводников: Пельтье; Томсона; Зеебека; возникновение поперечной разности температур.
Чем отличаются основные положения зонной теории электропроводности от классической электронной: учитывается взаимодействие электронов между собой; учитывается кулоновское взаимодействие электронов и ионов; используется иная статистика электронов; учитываются размеры электронов.
Удельный заряд носителей в полупроводниках определяют: методом горячего зонда; эффектом Холла; циклотронным резонансом; электронным парамагнитным резонансом.
При исследовании типа примесной проводимости полупроводника методом горячего зонда и исследования эффекта Томсона, если полупроводник электронный, то должны быть получены результаты:
ток течет в направлении 1, ; ток течет в направлении 2, ; ток течет в направлении 1, ; ток течет в направлении 2, .


Возникновение эффекта Зеебека: хорошо объясняется в рамках классической электронной теории; для объяснения надо пользоваться результатами зонной теории; для объяснения была создана теория Бардина, Купера, Шриффера; ни одна из этих теорий не объясняет эффект.
При исследовании типа примесной проводимости полупроводника по исследованию эффекта Холла и продольной разности температур, если проводник электронный, то должны быть получены результаты:
, ; , ; , ; , .
Для измерения индукции магнитного поля часто используют эффект:

1)  Холла;  2)  Зеебека;  3)  Пельтье;  4)  Керра.


В соответствии с теорией БКШ в классических сверхпроводниках реализуются:

1)  электрон-электронные взаимодействия;  2)  электрон-фононные взаимодействия;

3)  отсутствуют взаимодействия;  4)  кулоновские взаимодействия.


Токи Мейсснера протекают:

1)  по поверхности сверхпроводника;  2)  в его объеме;

  3)  и в объеме и на поверхности;  4)  в сверхпроводнике никогда не возникают.


Носителями заряда в полупроводниках при собственной проводимости могут быть:

1)  электроны и дырки в равных концентрациях;  2)  электроны или дырки;

3)  ионы;  4)  куперовские электронные пары.


При протекании тока через образец вещества, в котором имеется градиент температуры, тепло выделяется или поглощается за счет эффектов:

1)  Холла;  2)  Зеебека;  3)  Томсона;  4)  Пельтье.


Тип примесной проводимости полупроводника можно определить с помощью эффектов:

1)  Пельтье;  2)  Зеебека;  3)  Томсона;  4)  Холла.


Сильное магнитное поле:
разрушает состояние сверхпроводимости; повышает температуру перехода в сверхпроводящее состояние; снижает температуру перехода в сверхпроводящее состояние; способствует протеканию токов Мейсснера.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

1. Бонч-, Физика полупроводников. М., 1990.

2. Физика полупроводников. М., 1985.

3. , Сверхпроводимость. М., Альфа-М., 2006.

4. ведение в сверхпроводимость. М., Атомиздат, 1980.

5. Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников.

  Ростов н/Д, Изд. Ростовского университета. - Т. 1-2, 2004.

б) дополнительная литература:

1. изика полупроводников. М., 1977.

2. олупроводники. М. 1982.

3.   Введение в теорию полупроводников. М., 1978.

4.   Физика полупроводников. М., 1975.

5. верхпроводимость. М., 1971.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

Электронные учебные пособия, для разработки которых требуется значительное время, планируется разработать в 2012-2013 гг.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины  «Физика полупроводников и сверхпроводников»

Материально-техническое обеспечение модуля обеспечивается материалами, размещенными на сайте кафедры технической физики ЮФУ.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 020300 – Химия, физика и механика материалов

Автор: профессор

Рецензент: профессор

Программа одобрена на заседании кафедры технической физики ЮФУ

От 08.02.2011 г.  протокол № 20

Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ                

от ___________ года, протокол № ________.