ПРОГРАММА дисциплины
по направлению 511500 - радиофизика
Цель изучения дисциплины "Физика твердого тела" заключается в ознакомлении с физическими процессами, которые протекают в твердых телах при воздействии на них электрического, магнитного полей, оптического излучения и градиента температуры, а также с методами их описания. Эти сведения необходимы для последующего изучения дисциплины "Твердотельная электроника". В лабораторном практикуме студенты должны овладеть методами определения ряда физических параметров полупроводниковых материалов.
Краткий исторический обзор развития физики полупроводников, значение полупроводниковых материалов в современной науке и технике. Предмет и содержание курса.
Анализ упругих деформаций и напряжений. Модули упругости и уругие постоянные. Упругие волны в кубических кристаллах.
Колебания и волны в простой и сложной одномерных решетках. Колебания и волны в трехмерной кристаллической решетке. Квантование колебаний кристаллической решетки. Фононы.
Уравнение Шредингера для кристалла, одноэлектронное приближение. Зоны разрешенных значений энергии электрона в кристалле. Зоны Бриллюэна. Движение носителей заряда в кристалле под действием электрического поля, понятие эффективной массы, тензор обратной эффективной массы. Элементарная теория примесных состояний. Зонная структура некоторых полупроводников (германий, кремний, арсенид галлия).
Функция распределения в статистике Ферми-Дирака. Плотность квантовых состояний. Концентрация электронов и дырок. Положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Концентрация легких и тяжелых дырок в полупроводниках с вырожденными зонами (германий, кремний). Уравнение электронейтральности. Функция распределения носителей заряда по примесным состояниям. Температурная зависимость уровня Ферми и концентрации носителей заряда в полупроводнике, легированном одним типом примеси, и в компенсированном полупроводнике. Вырожденные и частично вырожденные полупроводники.
Кинетическое уравнение Больцмана, приближение времени релаксации. Функция распределения электронов по энергиям в полупроводнике со стандартной зоной. Электропроводность невырожденного и вырожденного полупроводников со стандартной зоной. Проводимость многодолинного полупроводника. Температурная зависимость подвижности и электрической проводимости при различных механизмах рассеяния носителей заряда. Эффект Холла в полупроводниках со смешанной проводимостью. Магниторезистивный эффект. Термоэлектрические явления (термоэдс, эффекты Пельтье и Томсона)
Равновесные и неравновесные носители заряда, квазиуровни Ферми. Скорость изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике при биполярной генерации и межзонной рекомбинации. Изменение концентрации избыточных носителей заряда при включении и выключении внешнего ионизатора при низком и высоком уровне возбуждения, время жизни носителей заряда. Монополярная генерация, время релаксации Максвелла. Различные механизмы рекомбинации носителей заряда (излучательная, безизлучательная, ударная, плазменная и экситонная). Рекомбинация через рекомбинационные центры, зависимость времени жизни от положения уровня Ферми в полупроводнике и от температуры. Поверхностная рекомбинация, понятие о скорости поверхностной рекомбинации.
Уравнение непрерывности. Соотношения Эйнштейна. Диффузия и дрейф неравновесных основных носителей заряда, длина экранирования. Диффузия и дрейф избыточных неосновных носителей заряда в примесном полупроводнике, длина затягивания и диффузионная длина. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике, близком к собственному, коэффициент биполярной диффузии, биполярная дрейфовая подвижность.
Спектр отражения и спектр поглощения оптического излучения. Собственное поглощение света, прямые и непрямые переходы. Экситонное поглощение, поглощение свободными носителями заряда, примесное и решеточное поглощение. Фоторезистивный эффект, квантовый выход, коэффициент усиления. Зависимость фототока от интенсивности света, кинетика фототока.
Магнитные свойства атомов. Классификация твердых тел по магнитным свойствам.
Диамагнетизм. Классическая теория диамагнетизма. Циклотронный резонанс, его практическое применение.
Парамагнетизм. Классическая и квантовая теории парамагнетизма, электронный и ядерный парамагнитный резонанс, его практическое применение.
Ферромагнетизм. Роль обменного взаимодействия в возникновении ферромагнетизма. Доменная структура ферромагнитных тел. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм. Магнитные спектры вещества.
ЛИТЕРАТУРА
Программу составил В.И.Гаман, профессор (Томский университет)