1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | Получение общих знаний о фундаментальных законах, физических процессах и явлениях, возникающих в квантовой радиофизике. Знакомство с основными понятиями, законами и моделями квантовой радиофизики. Знакомство с экспериментальными и теоретическими методами исследований систем квантовой радиофизики. |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-2 | Способность к осуществлению исследований физических явлений радиофизическими методами; |
| ПК-3 | Владение специальным математическим аппаратом, используемым в сфере компьютерной электроники и телекоммуникаций; |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | О современном состоянии, теоретических работах и результатах экспериментов в данной области исследований. О перспективных направлениях исследований в области квантовой радиофизики. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | Проводить научные исследования поставленных проблем. Осваивать новые методы научных исследований в области кваетовой радиофизики. Осваивать новые теории и модели. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Обрабатывать полученные результаты научных исследований на современном уровне и проводить их анализ. Работать с учебной и научной литературой. |
4. Структура и содержание дисциплины
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Радиационные процессы в квантовой теории атома. | ||||||
| 1.1. | Спонтанные и индуцированные переходы. Вероятности переходов. Коэффициенты Эйнштейна и их вычисление. | Лекции | 7 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 1.2. | Излучение электромагнитных волн совокупностью когерентных источников | Сам. работа | 7 | 8 | Л1.1, Л2.1 | |
| 1.3. | Спонтанные и индуцированные переходы. Вероятности переходов. Коэффициенты Эйнштейна и их вычисление. | Практические | 7 | 2 | ||
| Раздел 2. Методы создания инверсионной разности населенностей.Отклик среды на действие электромагнитного поля.Механизмы оптической нелинейности сред. | ||||||
| 2.1. | Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде. Активная среда. Методы накачки. | Сам. работа | 7 | 8 | Л1.1, Л2.1 | |
| 2.2. | Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде. Активная среда. Методы накачки. | Практические | 7 | 4 | ||
| 2.3. | Эффект насыщения.Механизмы оптической нелинейности сред. | Лекции | 7 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 3. Принцип действия оптического квантового генератора. | ||||||
| 3.1. | Открытые резонаторы лазеров. Потери. Моды. Устойчивость резонаторов. Гауссовы пучки | Сам. работа | 7 | 8 | Л2.1, Л1.2 | |
| 3.2. | Непрерывная и импульсная лазерная генерация. Модуляция добротности. | Лекции | 7 | 2 | Л2.1, Л1.2 | |
| 3.3. | Непрерывная и импульсная лазерная генерация. Модуляция добротности. | Практические | 7 | 6 | ||
| Раздел 4. Основные типы лазеров. | ||||||
| 4.1. | Основные типы и разновидности лазеров, устройство, принцип действия, характеристики излучения.Рубиновый лазер.Гелий-неоновый лазер.Элементы зонной теории полупроводников. Полупроводниковый лазер.Ширина и форма спектральной линии, виды уширения. | Лекции | 7 | 2 | Л2.1, Л1.2 | |
| 4.2. | Основные типы и разновидности лазеров, устройство, принцип действия, характеристики излучения.Рубиновый лазер.Гелий-неоновый лазер.Элементы зонной теории полупроводников. Полупроводниковый лазер.Ширина и форма спектральной линии, виды уширения. | Сам. работа | 7 | 8 | ||
| Раздел 5. Основы зонной теории | ||||||
| 5.1. | Образование энергетических зон в твёрдом теле. Разрешённая и запрещённая зона. Зона проводимости, валентная зона. Статистика носителей заряда в твёрдом теле. Формула Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Формула Максвелла-Больцмана для невырожденного полупроводника. | Лекции | 7 | 2 | ||
| 5.2. | Образование энергетических зон в твёрдом теле. Разрешённая и запрещённая зона. Зона проводимости, валентная зона. Статистика носителей заряда в твёрдом теле. Формула Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Формула Максвелла-Больцмана для невырожденного полупроводника. | Практические | 7 | 6 | ||
| 5.3. | Кристаллическая структура полупроводников. Распределение энергетических зон согласно трёхмерной модели кристалла. Положение уровня Ферми в зависимости от температуры. | Сам. работа | 7 | 8 | ||
| Раздел 6. Электропроводность полупроводников | ||||||
| 6.1. | Электропроводность собственных полупроводников. Средняя скорость дрейфа носителей заряда в кристалле. Подвижность электрона, эффективная масса электрона. Примесные полупроводники. Полупроводники p-типа и n-типа. Зонная диаграмма для примесных полупроводников. Энергия активации доноров, энергия активации акцепторов. Скомпенсированный полупроводник. | Лекции | 7 | 2 | ||
| 6.2. | Вывод соотношений для концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике. Температурная зависимость электропроводности полупроводников. Применяемые виды полупроводников и легирующих примесей. | Сам. работа | 7 | 8 | ||
| 6.3. | Методы измерения удельного сопротивления. Двухзондовый метод.Методы измерения удельного сопротивления. Четырехзондовый метод.Измерение температурной зависимости проводимости полупроводников.Фотопроводимость полупрофодников.Эффект Холла. | Практические | 7 | 6 | ||
| Раздел 7. Контакт двух материалов, Электронно-дырочный переход | ||||||
| 7.1. | Термоэлектронная эмиссия. Понятие о работе выхода, электронном сродстве и контактной разности потенциалов. Контакт полупроводник-полупроводник. Образование и энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП). Равновесное состояние ЭДП. Высота потенциального барьера и кон-тактная разность потенциалов ЭДП. Резкий и плавный ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП. Соотношения для расчета толщины ЭДП. Неравновесное состояние ЭДП. ВАХ перехода Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Инжек-тирующие контакты. Барьерная емкость контакта | Лекции | 7 | 2 | ||
| 7.2. | Концентрация неосновных носителей заряда у границ ЭДП при больших и малых токах. Контакт металл-полупроводник.Диод Шоттки. | Сам. работа | 7 | 12 | ||
| Раздел 8. Полупроводниковый диод | ||||||
| 8.1. | Элементарная теория выпрямляющего действия ЭДП. Основные допущения диодной теории выпрямления. Граничные условия задачи. Вольт-амперная характеристика диода. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связан-ные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольт-амперную характеристику. Частотные свойства полупроводникового диода с длинной базой при малом уровне инжекции. Выражение для плотности переменного тока. Частот-ная зависимость проводимости ЭДП. Частотная зависимость диффузионной ёмкости диода. Эквивалентная схема диода. Тунельный и обращенный диоды.Типы диодов. Технологии производства диодов. Использование диодов в радиоэлектронной аппаратуре. Пробой ЭДП (лавинный, туннельный, тепловой). | Лекции | 7 | 2 | ||
| 8.2. | Элементарная теория выпрямляющего действия ЭДП. Основные допущения диодной теории выпрямления. Граничные условия задачи. Вольт-амперная характеристика диода. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связан-ные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольт-амперную характеристику. Частотные свойства полупроводникового диода с длинной базой при малом уровне инжекции. Выражение для плотности переменного тока. Частот-ная зависимость проводимости ЭДП. Частотная зависимость диффузионной ёмкости диода. Эквивалентная схема диода. Тунельный и обращенный диоды.Типы диодов. Технологии производства диодов. Использование диодов в радиоэлектронной аппаратуре. Пробой ЭДП (лавинный, туннельный, тепловой). | Сам. работа | 7 | 14 | ||
| 8.3. | Элементарная теория выпрямляющего действия ЭДП. Основные допущения диодной теории выпрямления. Граничные условия задачи. Вольт-амперная характеристика диода. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связан-ные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольт-амперную характеристику. Частотные свойства полупроводникового диода с длинной базой при малом уровне инжекции. | Практические | 7 | 6 | ||
| Раздел 9. Транзисторы | ||||||
| 9.1. | Виды биполярных транзисторов. Технологии производства. Особенности конструкции транзисторов различного назначения. Схемы использования. Зависимость коэффициента передачи тока от уровня инжекции носителей в базу. Явления в транзисторе при больших токах. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от частоты. | Лекции | 7 | 2 | ||
| 9.2. | Полевой транзистор с ЭДП в качестве затвора. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства полевого транзистора с ЭДП. Полевой транзистор с изолированным затвором. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства | Лекции | 7 | 2 | ||
| 9.3. | Зависимость коэффициента передачи тока от уровня инжекции носителей в базу. Явления в транзисторе при больших токах. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от частоты.Полевой транзистор с ЭДП в качестве затвора. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства полевого транзистора с ЭДП. Полевой транзистор с изолированным затвором. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства | Практические | 7 | 6 | ||
| 9.4. | Виды биполярных транзисторов. Технологии производства. Особенности конструкции транзисторов различного назначения. Схемы использования. Зависимость коэффициента передачи тока от уровня инжекции носителей в базу. Явления в транзисторе при больших токах. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от частоты.Полевой транзистор с ЭДП в качестве затвора. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства полевого транзистора с ЭДП. Полевой транзистор с изолированным затвором. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства | Сам. работа | 7 | 14 | ||
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 1. Принцип квантового усиления электромагнитных волн. 2. Описание квантовых ансамблей и процессов релаксации. 3. Термостатированный ансамбль. Безызлучательные переходы. 4. Описание процесса релаксации. 5. Общие уравнения для матрицы плотности. 6. Электрические и магнитные дипольные моменты и энергия взаимодействия микрочастиц с внешним полем. 7. Двухуровневая система микрочастиц во внешнем поле. Вероятности индуцированных переходов. 8. Анализ поглощения электромагнитного поля двухуровневой системой. Эффект насыщения. 9. Спонтанные переходы и балансные уравнения. 10. Элементарная теория открытых оптических резонаторов. 11. Добротность резонатора. 12. Волновая теория открытых резонаторов. 13. Классификация оптических резонаторов. 14. Селекция типов колебаний в оптических резонаторах. 15. Характеристики лазерного излучения. 16. Расходимость лазерных пучков. 17. Фокусировка лазерных пучков. 18. Уширение спектральных линий. 19. Общие принципы построения твердотельных лазеров. 20. Системы накачки твердотельных лазеров. 21. Балансные уравнения и режим непрерывной генерации в твердотельных лазерах. 22. Режим свободной генерации. 23. Лазеры с модуляцией добротности резонатора. 24. Синхронизация продольных мод и генерация ультракоротких импульсов. 25. Особенности газов как активного вещества для лазеров. 26. Механизмы возбуждения газоразрядных лазеров. 27. Атомарный гелий-неоновый лазер. 28. Физические принципы работы полупроводниковых инжекционных лазеров. 29. Инверися населенностей в полупроводниковых средах. 30. Прямые и непрямые переходы в полупроводниках. 31. Зонная диаграмма инжекционного лазера. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| Спонтанные и индуцированные переходы. Вероятности переходов. Коэффициенты Эйнштейна и их вычисление. Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде. Активная среда. Методы накачки. Непрерывная и импульсная лазерная генерация. Модуляция добротности. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| см. ФОС в приложении |
| Приложения |
|
Приложение 1.
ФОС Квантовая радиофизика 2018.docx
|
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Щука А.А., Сигов А. С. | Электроника в 4 ч. Часть 3 квантовая и оптическая электроника: учебник для академического бакалавриата | Издательство Юрайт // ЭБС "Юрайт", 2018 | biblio-online.ru |
| Л1.2 | Шангина Л.И. | Квантовая и оптическая электроника: учебное пособие | Томск : Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники / ЭБС "Университетскаябиблиотека online", 2012 | biblioclub.ru |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Гладуш Г. Г. , Смуров И. Ю. | Физические основы лазерной обработки материалов: | М. Физматлит / ЭБС "Университетская библиотека online", 2017 | biblioclub.ru |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Сайт издательства «Лань» | e.lanbook.com | ||
| Э2 | Электронный курс "Квантовая радиофизика" | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
| Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска) |
| Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска) |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| см. ФОС в приложении |