1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | Цель преподавания дисциплины: научить студентов осознано и корректно применять современные модельные представления о взаимосвязи между физическими свойствами, электронной и пространственной структурой кристаллов и жидкостей, применению современных и оригинальных методов исследования веществ основанные на физико-химических измерениях. |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.03 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-6 | Способен оказывать информационную поддержку специалистам, осуществляющим научно-исследовательские работы |
| ПК-7 | Способен выбирать и использовать технические средства и методы исследования для решения исследовательских задач химической направленности, поставленных специалистом более высокой квалификации |
| ПК-1.03 | Способен проводить лабораторно-аналитическое сопровождение разработки технологий получения наноструктурированных композиционных материалов |
| ПК-2.03 | Способен определять на основе анализа учебной деятельности обучающегося, оптимальные способы его обучения и развития |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | теоретические основы физических процессов движения электронов в кристалле и закономерности их описывающие особенности поведения электронов сильных и слабых электрических, магнитных и тепловых полях, способы практического использования наблюдаемых эффектов и явлений. основные теоретические модели и основы физического эксперимента. закономерности распределение концентрации примеси в кристалле в результате направленной кристаллизации и зонной плавки. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | - сопоставлять данные физических измерений со свойствами и структурой кристаллов их потребительскими свойствамих. -определять термическую и оптическую ширину запрещенной зоны, подвижность и концентрацию носителей, высоту потенциального барьера контакта Ме-пп. -Вычислять распределение концентрации примеси в кристалле в результате направленной кристаллизации и зонной плавки. - сопоставлять данные физических измерений со свойствами и структурой кристаллов их потребительскими свойствами. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Расчета электропроводности, ширины запрещенной зоны, высоты барьера на границе МЕ-пп и p-n перехода, монтажа установок для таких измерений. Вычисления концетрации примеси в результате направленной кристаллизации и\или зонной плавки. Работы с учебной и научной литературой по дисциплине, методами проведения эксперимента и интерпретации результатов физических измерений к свойствам кристаллов, навыками расчёта профиля концентраций примеси при различных методах очистки. |
4. Структура и содержание дисциплины
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Зонная теория твердого тела. | ||||||
| 1.1. | Приближение Кронига-Пени. Преодоление потенциального барьера. Уравнение Шредингера для плоской волны. Прозрачность потенциального барьера. Решение для случая свободного, связанного и сильно связанного электрона. Граничные условия Борна-Кармана. Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 1.2. | Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников | Сам. работа | 7 | 4 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 1.3. | Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников | Практические | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 1.4. | Уравнение Шредингера. Волна де Бройля. Вывод вида оператора Гамильтона. Приближения, используемые при решении уравнения Шредингера. Адиабатическое приближение. Метод самосогласованного поля, одноэлектронное приближение. Выбор вида функции при решении уравнения Шредингера. | Сам. работа | 7 | 3 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 1.5. | Уравнение Шредингера. Волна де Бройля. Вывод вида оператора Гамильтона. Приближения, используемые при решении уравнения Шредингера. | Практические | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 2. Статистика электронов и дырок в полупроводнике | ||||||
| 2.1. | Вывод зависимости плотности состояний на дне зоны проводимости. Концентрация в полупроводнике электронов и дырок. Вывод зависимости концентрации носителей от энергии. Концентрация носителей в собственном полупроводнике. Концентрация носителей в области примесной проводимости. Температурная зависимость концентрации носителей. Концентрация электронов в металлах и вырожденных полупроводниках. Критерий вырождения. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 2.2. | Статистика электронов в полупроводнике. Функция распределения Ферми-Дирака. | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 2.3. | Расчет критериальных параметров вырождения для кристаллов с различной зонной структурой | Практические | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 2.4. | Подготовка к семинару по теме "Расчет критериальных параметров вырождения для кристаллов с различной зонной структурой" | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 2.5. | Определение ширины запрещенной зоны полупроводника термическим методом | Лабораторные | 7 | 4 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 2.6. | Подготовка к лабораторной работе по теме "Определение ширины запрещенной зоны полупроводника термическим методом" | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 3. Электропроводность полупроводников | ||||||
| 3.1. | Дрейфовая скорость. Время релаксации. Подвижность. Перенос носителей по зоне. Вывод общего уравнения для плотности тока. Рассеяние носителей. Механизм рассеяния. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 3.2. | Температурная зависимость удельной электропроводности. | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 3.3. | Определение удельного сопротивления пленок и кристаллов 4-х зондовым методом | Лабораторные | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 3.4. | Подготовка к лабораторной работе по теме "Определение удельного сопротивления пленок и кристаллов 4-х зондовым методом" | Сам. работа | 7 | 6 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 3.5. | Определение термической ширины запрещённой зоны | Лабораторные | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 3.6. | Подготовка к лабораторной работе «Определение термической ширины запрещённой зоны | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 4. Гальваномагнитные явления | ||||||
| 4.1. | Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 4.2. | Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 4.3. | Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей | Практические | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 4.4. | Определение концентрации носителей методом Холла | Лабораторные | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 4.5. | определние подвижности носителей. Магниторезистивный эффект | Лабораторные | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | |
| 4.6. | Эффект Гаусса. Зависимость подвижности от напряженности магнитного поля | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 4.7. | Эффект Гаусса. Зависимость подвижности от напряженности магнитного поля | Сам. работа | 7 | 4 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 5. Теплопроводность полупроводников | ||||||
| 5.1. | Перенос тепловой энергии в полупроводниках. Эффекты Пельтье, Зеебека, Томсона. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 5.2. | Термо-э.д.с. | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 6. Оптические свойства | ||||||
| 6.1. | Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект | Лекции | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л1.1, Л1.2 |
| 6.2. | Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л1.1, Л1.2 |
| 6.3. | Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект | Практические | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 7. Термодинамика реальных кристаллов | ||||||
| 7.1. | Классификация по составу: элементарные, двойные, тройные. Признаки полупроводниковых свойств. Равновесная концентрация дефектов по Шоттки. Теоретический предел совершенства | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.2. | Равновесная концентрация дефектов по Шоттки. Теоретический предел совершенства | Сам. работа | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.3. | Расчёт степени совершенства для кристаллов разных типов | Практические | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.4. | Сложные дефекты, взаимодействие дефектов. Собственное равновесие в кристалле. Гомогенное равновесие. Равновесие пар – кристалл. Фазы переменного состава. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.5. | Подготовка к практическому занятию по теме " Собственное равновесие в кристалле. Гомогенное равновесие " | Сам. работа | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.6. | Методы очистки. Физико-химические методы. Специальные методы. Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.7. | Подготовка к практическому занятию по теме " Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка " | Сам. работа | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л1.1, Л1.2 |
| 7.8. | Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка | Лабораторные | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.9. | Методы синтеза кристаллов. Синтез из нелетучих компонентов, синтез с летучим компонентом, химические методы синтеза | Практические | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.10. | Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. | Лекции | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.11. | Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. | Сам. работа | 7 | 1 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.12. | Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. | Лабораторные | 7 | 4 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.13. | Подготовка к семинару по теме " Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. " | Сам. работа | 7 | 4 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| 7.14. | Практическое занятие " Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша." | Практические | 7 | 2 | ПК-6, ПК-7 | Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2 |
| Раздел 8. | ||||||
| 8.1. | Консультации | 7 | 24 | ПК-6, ПК-7 | ||
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| не предусмотрено |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| не предусмотрено |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| в приложении |
| Приложения |
|
Приложение 1.
физ-хим конд сост 04.03.01-3-20183.doc
|
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Зегря, Г.Г. | Основы физики полупроводников : | Москва : Физматлит, 2009 | e.lanbook.com |
| Л1.2 | А.А. Ремпель, .А.И. Гусев | Нестехиометрия в твердом теле : | Москва : Физматлит, 2018 | e.lanbook.com |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. | Квазичастицы в физике конденсированного состояния: Учебные пособия | Издательство "Физматлит", 2010 | e.lanbook.com |
| Л2.2 | Бурбаева Н.В. | Основы полупроводниковой электроники: Учебные пособия | Издательство "Физматлит", 2012 | e.lanbook.com |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | http://e.lanbook.com | |||
| Э2 | http://www.rsl.ru | |||
| Э3 | http://ben.irex.ru | |||
| Э4 | http://www.gpntb.ru | |||
| Э5 | http://ban.pu.ru | |||
| Э6 | http://www.nlr.ru | |||
| Э7 | http://www.elibrary.ru | |||
| Э8 | http://www.chem.msu.su | |||
| Э9 | http://www.lib.msu.su | |||
| Э10 | http://www.kge.msu.ru | |||
| Э11 | http://www.lib.asu.ru | |||
| Э12 | http://www.chem.port.ru/ | |||
| Э13 | http://www.pstlib.nsc.ru/ | |||
| Э14 | http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2006/01/23/194820_2 | |||
| Э15 | http://www.lsbu.ac.uk/water/magnetic.html#bf | |||
| Э16 | http://www.navolne.ru/w_info2.htm | |||
| Э17 | http://infokonstruktor.ru/tehnologii/voda.htm#anchor002 | |||
| Э18 | http://www.magshells.com/history.html | |||
| Э19 | Ссылка на курс в Moodle | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| • Операционная система (Microsoft Windows и др.). • Офисные приложения (Microsoft Office Word, Exel, PowerPoint и др.). 7-Zip AcrobatReaderMicrosoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| 1. http://www.chem.asu.ru/ 2. http://www.chem.port.ru/ 3. http://www.ars.org/portalchemistry/ 4. http://www.pstlib.nsc.ru/ 5. http://www.e.lanbook.com/ 6. http://www.lib.asu.ru/ | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 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) |
| 107аК | лаборатория химических технологий - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Лабораторная мебель на 8 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стол весовой; вытяжной шкаф; электрическая плитка – 2 ед.; милливольтметр амперметр м2020, М2038; полярограф ПЛС-1; самописец 622-01; магазин сопротивлений Р33, весы ВМ 153II, вольтметрВ7-78\1, рН-150МИ, кондуктометр КП-150МИ, генератор Г4-119А, генератор Г3-19А, стабилизатор 3222, штативы лабораторные с лапками, посуда лабораторная |
| 517К | учебно-исследовательская лаборатория физико-химии и электрохимии материалов - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; столы ученический - 4 шт.; стол преподавателя - 2 шт.; шкаф книжный - 1 шт.; стол лабораторный - 6 шт.; вытяжной шкаф - 1 шт.; стол весовой - 1 шт.; экран рулонный; дистиллятор; ДмЭ-1\БрН-метр 150; весы ВЛКТ-500; мешалка магнитная ММ-5; генератор Г4-102А; ампервольтметр Ц4311; микроскоп Метавал; микроскоп МИИ-4 |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| Дисциплина «Физико-химия конденсированного состояния» включает несколько форм освоения материала. В первую очередь – лекционный материал. В процессе прослушивания лекций необходимо осознанно создавать представление о современных моделях, которые адекватно описывают электрические, оптические, магнитные и тепловые свойства кристаллов, сформировать системное представление об основных закономерностях, описывающих взаимосвязь строения и структуры кристаллов с их физическими свойствами. Лабораторные занятия позволяют сформировать умение интерпретировать результаты физических измерений к свойствам кристаллов и привить навыки лабораторного эксперимента. Практические занятия служат инструментом, позволяющим с помощью теоретических моделей описывать и предсказывать свойства кристаллов, их область практического использования. Практические занятия формируют навыки вычислений таких параметров как чувствительность датчиков Холла к угловому перемещению, методам определения ширины запрещённой зоны, датчикам температуры и пр. При подготовке к лекциям необходимо восстановить предыдущий материал, при наличии вопросов, сформулировать их и задать преподавателю как проблемную ситуацию. При подготовке к практическому занятию необходимо детально ознакомиться с теоретическими моделями, описывающими свойства кристаллов, областью применения таких моделей и математической формулировкой таких законов. При выполнении практических (лабораторных) занятий главное внимание следует сконцентрировать на процедуре измерений, которые позволяют получить данные о количественной взаимосвязи между величиной внешнего (нами задаваемого) воздействия и измеряемым откликом на это воздействия. Коэффициентом пропорциональности, как правило, является то, или иное свойство кристалла. Главное – освоить навыки экспериментального определения базовых свойств кристаллов, с тем, чтобы в практической деятельности реализовать навыки для любого аналогичного случая. При выполнении лабораторных работ следует руководствоваться методическими указаниями, размещёнными на сайте ЭУМКД соответствующей дисциплины. Следует внимательно ознакомиться с техникой измерения, особенностями используемого оборудования, последовательностью операций и вычислением необходимых параметров. Результатов следует оформлять в соответствии с общепринятой методикой, учитывая достоверность и надёжностью результатов на основе сопоставления с табличными значениями и величиной доверительного интервала. Работа с литературой включает в себя: а) отбор и изучение литературы по теме б) сбор материала, его изучение, анализ и обобщение. При чтении книг, статей и др. необходимый материал фиксируется в виде: - цитирования с указанием источника информации, автора цитаты, - ксерокопий или сканирования текста, - конспектов статей. Все необходимые данные о книгах, справочниках, пособиях записываются для последующего составления списка литературы. |