программы «Физика конденсированного состояния вещества

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Кафедра теоретической физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине специализации
Кинетические и размерные явления
Дисциплина входит в цикл СДМ
профессионально-образовательной магистерской программы
«Физика конденсированного состояния вещества»
направление подготовки 010700 (510400) Физика
Кемерово
2011
СОГЛАСОВАНО:
Декан физического факультета
Титов Ф.В._____________________
«_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен
Ученым советом физического факультета
Протокол №___ от «___»_________20__г.
Председатель ученого совета факультета,
декан физического факультета
Титов Ф.В.__________________
«_____»__________________ 20__г.
ОБСУЖДЕНО:
Зав. кафедрой
Поплавной А.С. _________________
«_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен
На заседании кафедры
Протокол №___ от «___»_________20__г.
Зав. кафедрой теоретической физики
Поплавной А.С. ______________________
«_____»__________________ 20__г.
СОГЛАСОВАНО:
Проректор по учебно-организационной
работе КемГУ
Семенкова Т.Н ________________
«_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен
Научно-методическим советом КемГУ
Протокол №___ от «___»_________20__г.
Председатель НМС, проректор по учебноорганизационной работе КемГУ
Семенкова Т. Н.___________________
«_____»__________________ 20__г.
РАССМОТРЕНО:
Председатель методической комиссии
Золотарев М.Л. ________________
«_____»__________________ 20__г.
УМК обсужден и одобрен
Методической комиссией физического
факультета
Протокол №___ от «___»_________20__г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Пояснительная записка.
2. Рабочая
программа
курса
по
дисциплине
специализации
«Кинетические и размерные явления».
3. Тематический план
3.1.
Содержание теоретического курса.
3.2.
Темы практических занятий.
4. Тесты.
5. Задачи к зачету.
6. Литература.
6.1.
Основная.
6.2.
Дополнительная.
7. Приложение:
7.1. Электронные версии авторских книг Ханефт А.В.,
«Термодинамика и кинетика образования дефектов Френкеля и
Шоттки в ионных кристаллах», «Ионные и электронные процессы и
контактные явления в широкозонных полупроводниках» – изданных
в КемГУ и хранящихся в формате .pdf на сервере
http://physic.kemsu.ru/
7.2. Копия Банка тестовых заданий в формате .ast (Основная база
AST-тестовых заданий находится на сервере отдела ТСО КемГУ)
УМК расположен на сайте Физического факультета КемГУ:
http://physic.kemsu.ru/viewpage.php?page_id=179
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
«Утверждаю»
Декан
физического факультета
______________________
«___» ___________ 200_ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
«Кинетические и размерные явления»
программы «Физика конденсированного состояния вещества»
направление 010700 (510400) ФИЗИКА
курс _6 ___________________
семестр _11 _______________
лекции _20________________ (часов)
практические занятия _ _____ (часов)
самостоятельные занятия _40__(часов)
Всего часов _60___________________
экзамен ___________
(семестр)
зачет _______11______
(семестр)
Составитель:
д.ф.-м.н., профессор кафедры теоретической физики КемГУ Ханефт А.В.
Кемерово, 2009
Рабочая программа составлена на основании: Государственного образовательного
стандарта направления 010701 Физика, утвержденного в 2000 г., учебного плана
подготовки магистров направления 010700(510400) Физика конденсированного
состояния вещества кафедрами общей, экспериментальной, теоретической физики
и физической химии
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
Протокол № ___ от «___» ________ 2010__ г.
Зав. кафедрой _________________/Поплавной А.С./
(подпись, Ф.И.О.)
Одобрено методической комиссией
Протокол № ___ от «___» ________ 2010__ г.
Председатель___________________/Золотарев М.Л./
(подпись, Ф.И.О.)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
В дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления»
рассматривается влияние внешних электрических и магнитных полей, полей
объемного заряда на ионные, электронные процессы, контактные и квантовые
явления в ионных соединениях и полупроводниках.
Актуальность и значимость дисциплины специализации
Современное физическое образование требует серьезной подготовки
магистрантов в области физики конденсированных сред. Дисциплина
специализации «Кинетические и размерные явления» входит в состав курса
«Физика конденсированного состояния» и является необходимой дисциплиной
для подготовки специалистов в области современного физического
материаловедения, как теоретиков, так экспериментаторов и относится к разряду
естественных наук, т. е. наук о природе.

Цель и задачи изучения курса
Целью дисциплины специализации «Кинетические и размерные явления»
является ознакомление магистрантов с применениями общих принципов и
методов теоретической физики в физике конденсированных сред. Достижение
поставленной цели осуществляется путём решения следующих основных задач:
1) ознакомление магистрантов с физикой кинетических и размерных явлений в
твердых телах, в том числе и квантово-размерных, возникающих в электрических
и магнитных полях, их математическими выражениями;
2) формирование умения правильно выражать физические идеи и решать
конкретные задачи физики конденсированных сред;
3) развитие у магистрантов представления о роли фундаментальной физики в
системе естественных наук и путях решения прикладных вопросов на основе
физических законов и методов.
 Место дисциплины в профессиональной подготовке специалиста
Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления » входит в
состав курса «Физика конденсированного состояния», которая является одним из
основных дисциплин в общей физико-математической и естественно – научной
подготовки современных специалистов физиков.
Структура учебной дисциплины.
Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» включает
в себя следующие разделы: ионные процессы в твердых телах, электронные
процессы в полупроводниках, контактные явления в полупроводниках, квантовые
явления в полупроводниках.

Особенности изучения дисциплина специализации
Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления» входит в
состав курса «Физика конденсированного состояния».
Дисциплина специализации «Кинетические и размерные явления»
базируется на курсах «Электродинамика», «Статистическая физика», «Квантовая
механика», «Основы физики твердого тела», «Математический анализ»,
«Дифференциальные уравнения» и «Функция комплексных переменных».

Формы организации учебного процесса по данной дисциплине
На основе программы и учебного плана в ходе проведения занятий по
дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления»
используются различные формы: лекции, практические занятия, самостоятельная
работа, контрольные работы, коллоквиумы, зачет.
 Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы магистрантов при
изучении дисциплины – основные вопросы программы вынесены как на
аудиторные, так и на самостоятельные занятия и согласно программы
распределены в отношении 1 : 2.

 Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Магистрант должен понимать и уметь применять методы статистической
физики в физике твердого тела и в физике полупроводников, понимать процессы
происходящие в твердом теле во внешнем электрическом поле, понимать
процессы происходящие на границе гетероструктур, понимать физику квантовых
явлений в полупроводниках и применять их на практике при решении различных
задач по дисциплине специализации «Кинетические и размерные явления».
Объем и сроки изучения дисциплины.
Дисциплина специализации рассчитана на 60 часов занятий в восьмом
семестре, что обусловлено программой подготовки специалистов и планом
обучения магистрантов по направлению 010700 (510400) «Физика
конденсированного состояния».
Виды контроля знаний студентов и их отчетности
По всем основным разделам дисциплины специализации предусмотрены
самостоятельные работы, контрольные работы, коллоквиумы (полное описание
приведено в тематическом плане). По итогам изучения курса предусмотрен: в
конце семестра – зачет.

Критерии оценки знаний студентов
1. Посещение лекций, практических занятий (наличие конспекта лекции и
практикума).
2. Работа в аудитории у доски.
3. Выполнение домашних работ.
4. Самостоятельная работа (практические задания).
5. Контрольные работы.
6. Коллоквиум.
При выставлении зачета учитываются следующие параметры:
1. Работа студента в семестре.
2. Оценка коллоквиума.
3. Теоретическая часть билета.
4. Практическая часть билета.
Зачет ставится при отсутствии или отработке всех долгов, решении всех задач
и ответе на теоретические вопросы при сдаче зачета.
Лабораторные
2
Ионные процессы в широкозонных полупроводниках и диэлектриках.
2 Электронные процессы в полупроводниках.
3 Контактные явления в полупроводниках .
4 Квантовые явления в полупроводниках .
Итого:
5
6
Лекции
1
1
Название и содержание
разделов, тем, модулей
Общий
№
Практические
(или
семинарские)
Объем часов
Аудиторная работа
Самостоятельная
работа
Тематический план
3
18
4
4
12
4
10
10
4
10
16
8
10
60
20
40
7
10
Формы
контроля
8
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Теоретический курс
1. Ионные процессы в широкозонных полупроводниках и диэлектриках
1.1. Естественная поверхность твердого тела
1.2. Влияние разупорядочения поверхности на образование дефектов Френкеля в
ионном кристалле
1.3. Колебательная энтропия дефектов
1.4. Ионная проводимость и точечные дефекты
1.5. Влияние размеров микрокристаллов на ионную проводимость и
поверхностный потенциал
1.6. Кинетика образования дефектов Френкеля в ионных кристаллах и
характерные времена релаксации дефектов
1.8. Термодинамика и кинетика образования дефектов Шоттки в ионных
кристаллах
1.9. Кинетика поляризации и эффект термогенерации дефектов Френкеля в
бесконтактном электрическом поле
2. Электронные процессы в полупроводниках
2.1. Метод эффективной массы
2.2. Плотность электронных состояний в объеме полупроводников, концентрации
электронов и дырок в зонах
2.3. Статистика электронов и дырок в примесных полупроводниках
2.4. Закон действующих масс в примесных полупроводниках
2.5. Эффекты Френкеля и Франца-Келдыша
2.6. Поверхностные состояния
2.7. Влияние размера и объемного заряда собственных дефектов на положения
уровня Ферми и электронную проводимость ионного кристалла.
3. Контактные явления в полупроводниках
3.1. Полупроводниковые гетеропереходы
3.2. Анизотипный гетеропереход
3.3. Изотипный гетеропереход
3.4. Зависимость изгиба зон на границе микроконтакта от формы и размера
гетерогенной системы, влияние объемного заряда дефектов Френкеля на изгиб
зон в гетероструктурах на основе ионных кристаллов.
4. Квантовые явления в полупроводниках
4.1. Плотность электронных состояний в полупроводниках пониженной
размерности: двумерная модель, одномерная модель, нульмерная модель
4.2. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем
пониженной размерности
4.3. Образование квантовых ям в полупроводниках и гетероструктурах в области
объемного заряда
4.4. Явления переноса электронов в квантовых полупроводниковых структурах
4.5. Квантовые осцилляции в магнитном поле: энергетический спектр и плотность
состояний в магнитном поле, осцилляции Шубникова – де Гааза, эффект де Гааза
– ван Альфена.
4.6. Квантовый эффект Холла: классический эффект Холла, целочисленный
эффект Холла, дробный эффект Холла.
Темы практических занятий
1. Изменение энергии Гиббса при образованиии дефектов Френкеля и Шоттки в
ионных кристаллах.
2. Характерные времена релаксации дефектов Френкеля и Шоттки в ионных
кристаллах.
3. Влияние объемного заряда на проводимость ионных кристаллов.
4. Эффект термогенерации дефектов Френкеля в бесконтактном электрическом
поле.
5. Влияние собственных дефектов на электронное равновесие в ионных
кристаллах.
6. Эффекты Френкеля и Келдыша-Франца.
7. Контактные явления в полупроводниках.
7.1. Анизотипный гетеропереход.
7.2. Изотипный гетеропереход.
8. Квантовые явления в полупроводниках в электрическом и магнитном полях.
8.1. Электронные состояния с пониженной размерностью.
8.2. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем
пониженной размерности.
8.3. Эффект Холла: классический, квантовый.
ФОРМЫ ТЕКУЩЕГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО И РУБЕЖНОГО
КОНТОРОЛЯ
1. ТЕСТЫ
ТЕСТ 1
Как изменяется энергия Гиббса при образовании собственных дефектов (дефектов
Френкеля или Шоттки)?
Варианты ответов
1. Повышается.
2. Уменьшается.
3. Для дефектов Френкеля уменьшается, а для дефектов Шоттки увеличивается.
4. Для дефектов Шоттки уменьшается, а для дефектов Френкеля увеличивается.
ТЕСТ 2
Какие точечные дефекты (включая примесные ионы и атомы) являются
электрически активными?
Варианты ответов
1. Дефекты, создающие в запрещенной зоне полупроводника или диэлектрика
локальные уровни.
2. Дефекты, имеющие электрический заряд.
3. Дефекты, дающие вклад в диэлектрические потери.
4. Нейтральные дефекты.
ТЕСТ 3
Энергия электронного сродства полупроводника или диэлектрика это есть
энергия:
Варианты ответов
1. Необходимая для перевода электрона с края зоны проводимости на уровень
вакуума.
2. Необходимая для перевода электрона с уровня Ферми на уровень вакуума.
3. Необходимая для перевода электрона с потолка валентной зоны на уровень
вакуума.
4. Необходимая для перевода электрона с потолка валентной зоны в зону
проводимости.
(Правильный ответ 1).
ТЕСТ 4
Какие из данных ответов удовлетворяют условию наблюдения квантовых
размерных эффектов в тонких пленках.
Варианты ответов
1. En 1  En  k BT .

2. En 1  En  .


3. En 1  En  .

4. Зеркальное отражение свободных носителей от границ пленки.
ТЕСТ 5
Какие из данных определений характеризуют гетероструктуру?
1. Образец, в котором область с большим градиентом химического состава
сформирована изменением основного химического состава.
2. Образец, состоящий из твердого раствора переменного состава, основной
химический состав которого изменяется с координатой.
3. Образец, в котором область с большим градиентом химического состава
сформирована изменением концентрации примеси.
4. Образец с изменяющейся по координате содержанием примеси, в котором
концентрация электронов и дырок локально связана с концентрацией примеси.
2. ЗАДАЧИ К ЗАЧЕТУ
1. Определить изменение энергии Гиббса G для поверхностных вакансий при
образовании дефектов Шоттки в одновалентном ионном кристалле вследствие
термодинамического разупорядочения решетки.
2. Получить выражение для проводимости разупорядоченного по Френкелю
одновалентного плоского ионного кристалла с учетом области объемного заряда и
определить потенциал инверсии.
3. Получить формулу для определения изгиба зон q s для собственного
полупроводника, имеющего на поверхности одинаковые концентрации
акцепторных M a и донорных M d уровней. Энергии акцепторных и донорных
уровней относительно потолка валентной зоны: Ea и E d соответствено, ширина
запрещенной зоны E g .
4. Рассчитать разрывы зон E c , E v и контакную разность потенциалов qc , а
также построить энергетическую диаграмму идеального контакта n  Si  p  Ge
при концентрации мелких доноров в Si 5  1015 см3 и концентрации мелких
акцепторов в Ge 2  1016 см3 . Энергии сродства Si  4,01 эВ,  Ge  4,13 эВ.
Эффективная масса электрона в Si mn*  0,33m , эффективная масса дырки в Ge
m*p  0,31m . Положить T  300 К.
5. Рассчитать высоту потенциального баръера для движения электронов из
металла в полупроводник и обратно и изобразить зонную диаграмму контакта
Au  n  GaAs с удельным сопротивление   3 Ом∙см, если энергии сродства
 Au  5,0 эВ,  GaAs  4,07 эВ, подвижность электронов в GaAs  n  8500
см2 /(В  с) и эффективная масса электрона mn*  0,072m .
Список основной учебной литературы
Сведения об учебниках
Год
издания
Наименование, гриф
Автор
Физика квантовых низкоразмерных структур, мин.
Физика низкоразмерных
систем, мин.
Демиховский В.Я.,
Вугальтер Г.А
Шик А.Я., Бакуева
Л.Г., Мусихин
С.Ф., Рыков С.А.
Ильин В.И.,
Мусихин С.Ф.,
Шик А.Я.
Под ред. академика
А.А. Орликовского
2000
Бонч-Бруевич В.Л.,
Калашников С.Г.
Бонч-Бруевич В.Л.,
Звягин И.П.,
Карпенко И.В.,
Миронов А.Г.
Термодинамика
и Ханефт А.В.
кинетика
образования
дефектов Френкеля и
Шоттки
в
ионных
кристаллах.
Ионные и электронные
Ханефт А.В.
процессы и контактные
явления в широкозонных
полу-проводниках
1990
Варизонные полупроводники и гетероструктуры,
мин.
Наноэлектроника. Ч. I.
Введение в наноэлектронику, мин.
Физика полупроводников,
мин.
Сборник задач по физике
полупроводников, мин.
Количество
экземпляров в
библиотеке на
момент
утверждения
программы
Электронный
вариант в
библиотеке
факультета
5
2001
3
2000
3
2009
1
1987
2008
70
сайт
phys.kemsu.ru
2008
70
сайт
phys.kemsu.ru
Литература
Основная
1. Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных
структур. М.: Логос, 2000. 248 с.
2. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных
систем. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 2001. 160 с.
3. Наноэлектроника. Ч. I. Введение в наноэлектронику, Под ред. академика А.А.
Орликовского. М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 720 с.
4. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука,
1990. 688 с.
5. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Карпенко И.В., Миронов А.Г. Сборник задач
по физике полупроводников. М.: Наука, 1987. 144 с.
6. Ханефт А.В. Термодинамика и кинетика образования дефектов Френкеля и
Шоттки в ионных кристаллах. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. 124 с.
7. Ханефт А.В. Ионные и электронные процессы и контактные явления в
широкозонных полупроводниках. Томск: Издательство ТГПУ, 2008. 140 с.
Дополнительная
1. Кравченко А.Ф., Овсюк В.Н. Электронные процессы в твердотельных системах
пониженной размерности. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000. 448 с.
2. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники.
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 496 с.
3. Бакуева Л.Г., Ильин В.И., Мусихин С.Д. Расчеты полей и токов в
полупроводниковых структурах. Сборник задач и упражнений. СанктПетербург: СПбГТУ, 1997. 96 с.