Материаловедение (стр. 4 )

4.2. Электропроводность металлов и сплавов.

Электропроводность полупроводников

Электропроводность металлов и сплавов. Правило Матиссена.

Собственная проводимость полупроводников. Примесная проводимость полупроводников. Фотопроводимость полупроводников.

Эффекты сильного поля, разогрев электронного газа; дрейфовая нелинейность. Изменение концентрации электронного газа в сильных полях. Эффект Ганна.

4.3. Сверхпроводимость

Основные свойства сверхпроводников и классы сверхпроводящих материалов. Высокотемпературная сверхпроводимость. Особенности структуры высокотемпературных сверхпроводников. Физические модели сверхпроводящего состояния. Понятие о куперовских парах. Квантование магнитного потока. Магнитные свойства сверхпроводников. Одночастичное и джозефсоновское туннелирование. Джозефсоновские переходы.

Раздел 5. Неравновесные носители

заряда и статистика рекомбинации

5.1. Неравновесные электроны и дырки

Неравновесные носители заряда. Квазиуровни Ферми. Время жизни неравновесных носителей. Уравнение непрерывности. Амбиполярная диффузия и дрейф. Соотношения Эйнштейна. Эффективный коэффициент диффузии.

5.2. Типы рекомбинации

Скорости генерации и рекомбинации  носителей  заряда. Различные типы процессов рекомбинации.  Межзонная  рекомбинация.  Рекомбинация через локальные уровни. Сечение захвата. Время жизни носителей относительно их захвата ловушками. Анализ зависимости времени жизни от степени легирования и температуры. Формула Холла-Шокли-Рида.

Раздел 6. Гальваномагнитные

и термоэлектрические явления

6.1. Гальваномагнитные явления

Эффект Холла. Постоянная Холла для металлов, собственных и примесных полупроводников. Измерение и практическое использование эффекта Холла.

Эффект Эттингсгаузена. Обратный эффект Нернста-Эттингсгаузена.

6.2. Термомагнитные и термоэлектрические явления

ТермоЭДС металлов и полупроводников. Объемная и контактная составляющие термоЭДС. Эффект Зеебека. Эффект Риги-Ледюка. Эффект Томсона.

Эффект Пельтье. Коэффициент Пельтье для контактов различного типа: металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник.

Раздел 7. Контактные и поверхностные

явления в полупроводниках

7.1. Явления в контактах

Контакт металла с полупроводником. Контактная разность потенциалов. Барьер Шоттки.  Влияние  контактного  поля  на  энергетические уровни полупроводника. Толщина барьера и ее зависимость от внешней разности потенциалов. Вольт-амперная характеристика контакта металл-полупроводник. Выпрямление в контакте металла с полупроводником.

Токи, ограниченные пространственным зарядом.

Равновесное состояние p-n-перехода. Толщина слоя объемного заряда и ее зависимость от внешних потенциалов; барьерная емкость перехода.

7.2. Выпрямляющие свойства p-n-перехода

Переход под прямым смещением. Инжекция неосновных носителей; прямой ток. Переход под обратным смещением. Экстракция неосновных носителей; обратный ток.  Вольт - амперная  характеристика  перехода.  Влияние генерации в области объемного заряда на обратный ток. Диффузионная емкость. Пробой p-n-перехода: тепловой, лавинный, туннельный, поверхностный.

7.3. Поверхностные состояния

Область приповерхностного слоя объемного заряда. Искривление зон у поверхности. Обеднение, обогащение, инверсия. Поверхностная рекомбинация. Эффект поля.

Раздел 8. Физические принципы работы приборов

твердотельной электроники

8.1. Физические принципы работы полупроводниковых диодов

Физические процессы, определяющие работу выпрямительных низкочастотных диодов, импульсных диодов, стабилитронов, стабисторов. Эффект туннелирования в p-n-переходе и его зависимость от концентрации легирующей примеси. Принципы работы туннельных диодов, диодов с резонансным туннелированием, обращенных диодов. Физические основы работы диодов Шоттки (выпрямительных, импульсных, смесительных,  детекторных, переключательных), варикапов. Режимы работы  лавинно-пролетных диодов. 

8.2. Физические принципы работы биполярных транзисторов

Физические основы работы биполярных транзисторов. Способы  переноса носителей через базу, диффузионные транзисторы. Коэффициент переноса и требования к базовой области. Эффективность эмиттера и требования к эмиттерной области. Размножение носителей в коллекторе и требования к коллекторной области. Физические  принципы усиления по току, напряжению и мощности. Влияние температуры на процессы, происходящие в транзисторах. Импульсные процессы в транзисторах. Физические процессы, вызывающие пробой транзисторов. Физические особенности работы фототранзисторов, оптоэлектронных, гетероструктурных, однопереходных транзисторов.

8.3. Физические принципы работы полевых транзисторов

Физические принципы работы и основные типы канальных транзисторов. Влияние распределения носителей заряда, электрических полей и потенциалов на переходные и выходные характеристики. Физические процессы, определяющие усиление полевых транзисторов. Достоинства и недостатки полевых транзисторов по сравнению с биполярными.

8.4. Физические основы работы тиристоров

Физические принципы работы четырехслойного переключателя. Условия переключения. Механизмы переключения. Выходные характеристики четырехслойных структур. Управление коэффициентом усиления по току.

8.5. Приборы с зарядовой связью

Физические принципы работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Ввод и вывод информации в структурах на ПЗС. Применения ПЗС.

8.6. Акустоэлектронные приборы

Физические принципы работы устройств акустоэлектроники. Физические основы работы  приборов на поверхностных акустических волнах (фильтры, линии задержки, резонаторы).

8.7. Твердотельные оптические квантовые генераторы

Нормальное и возбужденное состояние системы. Спонтанные переходы и среднее время жизни. Особенности спонтанного  излучения. Индуцированное (вынужденное) излучение и его особенности.

Равновесная и инверсная заселенность уровней, отрицательные температуры. Методы получения инверсной заселенности. Физические принципы работы оптических квантовых генераторов.

Полупроводниковые инжекционные лазеры. Инжекционные гетеролазеры.

8.8. Сверхпроводниковая электроника

Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (СКВИД). СКВИДы на постоянном токе и высокочастотные СКВИДы. Детекторы электромагнитного излучения (сверхпроводниковые болометры и приборы на основе одночастичного туннелирования), смесители, усилители, элементы интегральных микросхем (логические элементы и элементы памяти).

8.9. Интегральная электроника

Основные типы и классификация интегральных схем. Физические и конструктивно-технологические особенности элементов интегральных схем: диодов, транзисторов, резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов.

Раздел 9. Эмиссия электронов. Газовый разряд.

Физические основы работы

электровакуумных и газоразрядных приборов

9.1. Эмиссия электронов

Работа выхода электронов из  металлов и полупроводников. Влияние пленок на работу выхода. Термоэлектронная  эмиссия. Формула Ричардсона-Дешмена. Сложные катоды. Влияние внешнего ускоряющего поля. Эффект Шоттки.

Автоэлектронная эмиссия. Применение острийных катодов.

Вторичная  электронная эмиссия. Коэффициент вторичной  электронной эмиссии для металлов, диэлектриков и полупроводников.

9. 2. Газовый разряд

Электронные процессы в газах. Ионизационный потенциал. Ионизация электронными ударами, фотоионизация, термическая ионизация. Рекомбинация. Возбуждение атомов и испускание фотонов.

Несамостоятельный разряд  и его  вольт-амперная  характеристика. Теория лавин Таунсенда. Коэффициент  умножения. Эффект газового усиления. Условия перехода несамостоятельного  газового разряда в самостоятельный; кривые Пашена.

Тлеющий разряд. Нормальное  и аномальное катодное падение потенциала. Дуговой разряд. Плазма.  Искровой и коронный разряды. Полная вольт-амперная характеристика самостоятельных форм разряда.

9.3. Физические принципы работы электровакуумных

и газоразрядных приборов

Физические процессы, происходящие в приемно-усилительных лампах, СВЧ-приборах, электронно-лучевых трубках, фотоумножителях, электронно-оптических преобразователях и газоразрядных приборах.

Раздел 10. Магнитные свойства твердых тел и приборы,

использующие явление магнетизма

10.1. Диамагнетизм и парамагнетизм

Ларморовский диамагнетизм. Диамагнетизм электронов проводимости. Диамагнетизм электронов в легированных полупроводниках.

Парамагнетизм диэлектриков. Парамагнетизм Паули. Электронный парамагнитный резонанс.

10.2. Ферромагнетизм

Спиновая природа ферромагнетизма. Модель Гайзенберга. Типы магнитных структур: ферромагнитная, антиферромагнитная, ферримагнитная.

Зависимость магнитных свойств от температуры. Спиновые волны. Магнитные домены. Магнитный гистерезис.

10.3. Запоминающие устройства

на основе магнитных элементов

Физические особенности работы элементов ЗУ на ферритовых сердечниках и элементов ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. ЗУ на магнитных дисках.

Примерный перечень тем практических занятий

Обозначение элементов кристалла. Симметрия кристаллической решетки. Дифракция волн в кристалле. Энергетические уровни и волновая функция электрона  в  кристалле. Зоны Бриллюэна. Функция распределения Ферми-Дирака. Примесные полупроводники. Положение уровня Ферми в зависимости от концентрации примеси и температуры.                                                 Движение электрона в кристалле под действием внешней силы. Эффективная масса. Электропроводность твердых тел. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда.  Время жизни. Диффузия неравновесных носителей.         Эффект Холла в полупроводниках n - и p-типа и в полупроводниках со смешанной проводимостью. Эффект Эттингсгаузена. Термоэлектрические явления. Контакт металл-полупроводник с барьером Шоттки. Контактная разность. Потенциалов и выпрямляющие свойства контакта электронного и дырочного полупроводников. Энергетические диаграммы и процессы в трехслойных полупроводниковых  структурах. Физические принципы работы полевых транзисторов. Работа выхода. Эмиссия электронов: термоэлектронная эмиссия, эффект Шоттки, холодная эмиссия. Оценка диамагнитных свойств твердых тел на основе классической теории Ланжевена. Расчет намагниченности двухуровневой системы на основе квантовой теории парамагнетизма твердых тел. Оценка величины  обменного поля в ферромагнетиках на примере железа.

Примерный перечень лабораторных работ

Определение ширины запрещенной зоны в полупроводниках.

2.        Определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках.