Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://physelec.phys.msu.ru/study/lecture/ElectrCondMatt.doc Дата изменения: Tue Mar 10 11:50:38 2015 Дата индексирования: Sun Apr 10 00:24:05 2016 Кодировка: koi8-r

Рабочая программа дисциплины

1. Физические основы электроники твердого тела

2. Лекторы.

2.1. Кандидат физико-математических наук, доцент Хвостов Валерий
Владимирович, кафедра физической электроники физического факультета
МГУ, vkhv@yandex.ru, +7(495)9392953.

3. Аннотация дисциплины.

В курс включены основы зонной теории твердого тела, статистика электронов и
дырок в диэлектриках и полупроводниках. Дается характеристика главных типов
твердых тел, основанная на различии их физических свойств (металлы,
полупроводники, изоляторы, ионные соединения, молекулярные кристаллы).
Излагаются модельные представления о механизме электропроводности,
рассмотрены механизмы рассеяния носителей заряда, генерация и рекомбинация
носителей заряда, диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда. Изложены
контактные и поверхностные явления в полупроводниках, их оптические и
фотоэлектрические свойства. На основе теории р-n перехода и МОП структур
приводятся принципы работы полупроводниковых приборов.

4. Цели освоения дисциплины.

В результате освоения дисциплины обучающийся получит основные представления
в области физики твердого тела и физических принципов работы типичных
твердотельных приборов и устройств.

5. Задачи дисциплины.

Задачей курса является дать знания для описания и объяснения физических
процессов, лежащих в работе приборов твердотельной электроники.
Ознакомление с новыми идеями и экспериментальными результатами в области
наноэлектроники.

6. Компетенции.
6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ОНК-1, ОНК-5, ОНК-6.
6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2.

7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать атомную и электронную структуру твердых тел (металлов,
полупроводников и диэлектриков) и их электрофизические свойства;
уметь оценить характеристики твердотельных структур;
владеть методами расчета основных параметров твердотельных приборов.

8. Содержание и структура дисциплины.
|Вид работы |Семестр |Всего |
| |8 | |
|Общая трудоёмкость, акад. часов |72 |72 |
|Аудиторная работа: |30 |30 |
| Лекции, акад. часов |30 |30 |
| Семинары, акад. часов | | |
| Лабораторные работы, акад. часов | | |
|Самостоятельная работа, акад. часов |42 |42 |
|Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с |экзамен | |
|оценкой, экзамен) | | |

|N |Наименование|Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий |Форма |
|раз| | |текущег|
|- |раздела | |о |
|дел| | |контрол|
|а | | |я |
| | |Аудиторная работа |Самостоятельная работа| |
| | | | | |
| | |Лекции |Семинары |Лабораторные работы | | |
|1 |Элементы |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |физики |Типы сил | | |Работа с лекционным |КР |
| |твердого |взаимодействия между | | |материалом, решение | |
| |тела |атомами в твердых | | |задач по теме лекции. | |
| | |телах. Металлическая, | | | | |
| | |ионная, ковалентная. | | | | |
| | |Гибридизация атомных | | | | |
| | |орбиталей. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Уравнение Шредингера | | |Работа с лекционным | |
| | |для кристалла, | | |материалом, решение | |
| | |приближеня зонной | | |задач по теме лекции. | |
| | |теории. Волновая | | | | |
| | |функция в | | | | |
| | |периодическом поле | | | | |
| | |кристалла. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Методы расчета | | |Работа с лекционным | |
| | |электронной структуры | | |материалом, решение | |
| | |твердых тел. | | |задач по теме лекции. | |
| | |Приближения слабой и | | | | |
| | |сильной связи. | | | | |
|2 |Электронная |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |структура |Концентрация носителей| | |Работа с лекционным |КР |
| |полупроводни|заряда в | | |материалом, решение | |
| |ков. |полупроводнике. | | |задач по теме лекции. | |
| | |Статистика электронов | | | | |
| | |в полупроводниках. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Примесные уровни в | | |Работа с лекционным | |
| | |полупроводниках. | | |материалом, решение | |
| | |Собственная и | | |задач по теме лекции. | |
| | |примесная | | | | |
| | |проводимости. Основные| | | | |
| | |и неосновные носители | | | | |
| | |заряда в | | | | |
| | |полупроводнике. | | | | |
|3 |Явления |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |переноса |Механизмы рассеяния | | |Работа с лекционным |КР |
| |заряда в |носителей заряда. | | |материалом, решение | |
| |твердом геле|Электропроводность | | |задач по теме лекции. | |
| | |полупроводников и | | | | |
| | |металлов. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Температурная | | |Работа с лекционным | |
| | |зависимость | | |материалом, решение | |
| | |электропроводности в | | |задач по теме лекции. | |
| | |твердых телах. | | | | |
| | |Электропроводность в | | | | |
| | |сильном электрическом | | | | |
| | |поле. | | | | |
|4 |Контактные |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |явления. |Различные типы | | |Работа с лекционным |КР |
| | |контактов. Явления на | | |материалом, решение | |
| | |контакте двух | | |задач по теме лекции. | |
| | |разнородных | | | | |
| | |материалов. Контакт | | | | |
| | |металл-диэлектрик, | | | | |
| | |металл-диэлектрик- | | | | |
| | |полупроводник. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Электронно-дырочные | | |Работа с лекционным | |
| | |переходы. | | |материалом, решение | |
| | |Туннельный эффект в | | |задач по теме лекции. | |
| | |p-n переходах. Диоды | | | | |
| | |Шоттки. Туннельные | | | | |
| | |диоды. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. | |
| | |Основные представления| | |Работа с лекционным | |
| | |о полупроводниковых | | |материалом, решение | |
| | |гетеропереходах | | |задач по теме лекции. | |
| | |(сверхрешетки). | | | | |
|5 |Оптические и|2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |фотоэлектрич|Поглощение и | | |Работа с лекционным |КР |
| |еские |испускание света | | |материалом, решение | |
| |явления в |полупроводниками. | | |задач по теме лекции. | |
| |полупроводни|Механизм поглощения. | | | | |
| |ках |Коэффициенты | | | | |
| | |поглощения и излучения| | | | |
| | |при оптических | | | | |
| | |переходах зона-зона. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| | |Прямые и непрямые | | |Работа с лекционным |КР |
| | |переходы. Равновесные | | |материалом, решение | |
| | |и неравновесные | | |задач по теме лекции. | |
| | |носители заряда. | | | | |
| | |Фотопроводимость. | | | | |
| | |Фотоэффект в p-n | | | | |
| | |переходах. | | | | |
|6 |Электрически|2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |е явления на|Энергетическая | | |Работа с лекционным |КР |
| |поверхности |диаграмма реальной | | |материалом, решение | |
| |твердого |поверхности кристалла.| | |задач по теме лекции. | |
| |тела |Поверхностный слой | | | | |
| | |объемного заряда. | | | | |
| | |Эффект поля и | | | | |
| | |поверхностная | | | | |
| | |проводимость. | | | | |
|7 |Элементы |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| |наноэлектрон|Физика низкоразмерного| | |Работа с лекционным |КР |
| |ики |электронного газа. | | |материалом, решение | |
| | |Одномерные, двухмерные| | |задач по теме лекции. | |
| | |системы, квантовые | | | | |
| | |ямы. | | | | |
| | |2 часа. | | |2 часа. |ДЗ, |
| | |Явления переноса в | | |Работа с лекционным |КР |
| | |низкоразмерных | | |материалом, решение | |
| | |системах. | | |задач по теме лекции. | |
| | |Туннелирование, | | | | |
| | |баллистическая | | | | |
| | |(квантовая) | | | | |
| | |проводимость. | | | | |


Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.

|1. Защита лабораторной |4. Реферат |7. Рубежный контроль|10. Контрольная |15. Рейтинговая |
|работы (ЛР); |(Р); |(РК); |работа (КР); |система (РС); |
|2. Расчетно-графическое |5. Эссе (Э); |8. Тестирование (Т);|11. Деловая игра |16. Обсуждение (Об). |
|задание (РГЗ); |6. Коллоквиум | |(ДИ); | |
|3. Домашнее задание (ДЗ); |(К); |9. Проект (П); |12. Опрос (Оп); | |

9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Обязательная дисциплина.
2. Вариативная часть, профессиональный блок.
3. Для освоения дисциплины студент должен знать основные разделы физики и
математики, уметь решать по ним задачи.
1. До начала освоения дисциплины должны быть освоены дисциплины модулей
«Квантовая теория», «Термодинамика и статистическая физика»,
«Введение в физическую электронику».
2. Освоение дисциплины необходимо для дисциплин "Практическая
полупроводниковая электроника", "Физические основы нано- и
молекулярной электроники", «Электронно-зондовая диагностика
материалов и приборов микроэлектроники», НИР, НИП.
10. Образовательные технологии
. дискуссии,
. круглые столы,
. использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса,
. преподавание дисциплин в форме авторских курсов по программам,
составленным на основе результатов исследований научных школ МГУ.

11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
Перечень вопросов к экзамену:
1. Виды химической связи и их основные отличительные признаки, типы твердых
тел.
2. Дефекты кристаллической решетки.
3. Методы расчета электронной структуры твердых тел. Приближения слабой и
сильной связи.
4. Гибридизация атомных орбиталей, метод линейной комбинации атомных
орбиталей (ЛКАО).
5. Волновая функция в периодическом поле кристалла. Энергетические зоны.
Зона Бриллюэна.
6. Плотность электронных состояний.
7. Статистика электронов в твердых телах (металлах и диэлектриках), уровень
Ферми.
8. Концентрация носителей заряда в полупроводнике. Примесные уровни в
полупроводниках.
9. Собственная и примесная проводимости. Основные и неосновные носители
заряда в полупроводнике (температурная зависимость).
10. Механизмы рассеяния носителей заряда. Электропроводность
полупроводников и металлов. Температурная зависимость электропроводности
в твердых телах.
11. Различные типы контактов. Виды контактов металл-диэлектрик.
12. Проводимость МДМ структур.
13. Эффект поля, зонная диаграмма при эффекте поля.
14. Контактные явления. Работа выхода и контактная разность потенциалов.
15. Виды контактов металл-полупроводник.
16. Контакт металла с полупроводниками n-типа. Выпрямление на контакте
металла с полупроводником n-типа.
17. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении.
18. Термическая ионизация (эффект Френкеля). Тепловой пробой.
19. Эффект Зинера (туннельный эффект).
20. Особенности электронной структуры низкоразмерных систем.
21. Проводимость одномерных систем.

Примеры задач:
1. Найти собственную концентрацию свободных носителей заряда в кремнии Si,
германии Ge, арсениде галлия GaAs и антимониде индия InSb при комнатной
температуре T = 300 К и температуре жидкого азота T = 77 К.
2. Найти концентрацию легирующей акцепторной примеси для кремния Si и
германия Ge, при которой наступает вырождение концентрации свободных
носителей заряда при комнатной температуре T = 300 К.
3. Найти высоту потенциального барьера ?к в диоде Шоттки электронный
германий n-Ge - золото Au. Нарисовать зонную диаграмму контакта при
термодинамическом равновесии. Удельное сопротивление полупроводника ? = 1
Омћсм.
4. Рассчитать и построить зонную диаграмму гетероперехода n-Ge - p-GaAs.
ND,A = 1016 см-3.
5. Рассчитать и сравнить дебаевские длины экранирования LD в собственных
полупроводниках - кремнии Si, германии Ge, арсениде галлия GaAs, антимониде
индия InSb при комнатной температуре.
6. Качественно представить на графике зависимость концентрации электронов в
частично компенсированном полупроводнике (ND > NA) ln n от 1/T. Оценить
границы области температур, в которых n — ND - NA для кремния,
легированного мышьяком ED = EC - 0,05 эВ.
7. Сопротивление R1 р-n-перехода, находящегося под прямым напряжением U=1
В, равно 10 Ом. Определить сопротивление R2 перехода при обратном
напряжении.
8. Прямое напряжение U, приложенное к р-n-переходу, равно 2 В. Во сколько
раз возрастет сила тока через переход, если изменить температуру от Т1=300
К до Т2=273 К?
9. Идеальный фотодиод (т. е. с квантовым выходом, равным 1) освещается
излучением мощностью P = 10 мВт при длине волны 0,8 мкм. Рассчитать ток и
напряжение на выходе прибора, когда детектор используется в режиме фототока
и фотоЭДС соответственно. Ток утечки при обратном смещении I0=10 нА,
рабочая температура T = 300 К.
10. Рассчитать квант проводимости одномерной цепочки атомов.

Текущий контроль успеваемости и промежуточная аттестация проводятся на
основе приведенного выше перечня вопросов.

12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. "Физические основы твердотельной
электроники", М., Изд-во МГУ, 1986.
2. Твердотельная электроника: Учебное пособие / Давыдов В. Н. - 2011. 175
с.
3. Твердотельная электроника и микроэлектроника: Учебное
пособие/Берикашвили В.Ш., Воробьев С.А. Издательство: Издательство
МГОУ, 2010 г. 356 страниц
4. Физические основы твердотельной электроники. Учебное
пособие/Спиридонов О.П., 2008, 191 с.

Дополнительная литература
1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. "Физика полупроводников", М.:
Наука, 1977.
2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. "Твердотельная электроника", М.: Высшая
школа, 1986.
3. Херман М. "Полупроводниковые сверхрешетки", пер. с англ., М: Мир,
1989.

Интернет-ресурсы
physelec.phys.msu.ru

13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по
направлению подготовки «Физика».
Аудитория в соответствии с расписанием занятий, имеется проекционное
оборудование, компьютер и т.п.