- •Курс лекций
- •Учебное пособие
- •Введение
- •Глава I. Строение и механические свойства кристаллических тел
- •Классификация кристаллов
- •1.2 Физические типы кристаллических решеток
- •1.2.1 Ионные кристаллы
- •Атомные кристаллы
- •Металлические кристаллы
- •1.2.4 Молекулярные кристаллы
- •1.2.5 Водородная связь
- •1.3. Методы определения атомной структуры кристаллических тел
- •Вещества с кубической решеткой
- •Некоторые соединения со структурой хлорида натрия
- •1.4. Дефекты в кристаллах
- •1.4.1 Виды дефектов
- •1.4.2 Точечные дефекты и их влияние на электрические свойства кристалла
- •1.4.3 Дислокации – возникновение и перемещение
- •Механические свойства кристаллических тел
- •Глава II. Электрические и тепловые свойства кристаллических тел
- •2.1 Основные положения теории Друде
- •2.2. Статическая электропроводность и теплопроводность металлов по Друде
- •2.3. Квантовые явления и теории проводимости металлов на их основе
- •2.3.1 Основные положения квантовой механики
- •2.3.2 Теория Зоммерфельда
- •2.3.3 Статистика фермионов
- •2.2.4 Недостатки модели Зоммерфельда
- •2.2.5 Проблемы составления уравнение Шредингера для твердого тела
- •2.4 Основы зонной теории твердого тела Блоха
- •2.4.1 Функции Блоха
- •2.4.2 Качественное рассмотрение поведения почти свободных электронов в кристалле
- •2.4.3 Модель Кронига-Пенни
- •2.4.4 Статистика фермионов в зонной теории
- •2.5 Эффективная масса электрона
- •2.6 Работа выхода электрона в металлах
- •2.7 Автоэлектронная эмиссия: туннельный эффект
- •2.8. Контактные явления
- •2.9. Колебания решетки и акустические волны (фононный газ)
- •2.10. Сверхпроводимость
- •Глава III. Полупроводниковые гомоструктуры
- •3.1 Зависимость собственной проводимости полупроводника от температуры
- •3.2. Примесная проводимость как основная в легированных полупроводниках
- •3.4 Полупроводниковый биполярный транзистор
- •3.5 Полевые транзисторы
- •3.6 Физические технологии создания полупроводниковых структур
- •Глава IV. Гетероструктуры
- •4.1. Физические основы формирования гетероструктур
- •4.4. Практическое применение наноразмерных гетероструктур.
- •Глава V. Аморфные тела
- •Глава VI. Оптические свойства твердых тел.
- •6.1 Поглощение света в кристаллах
- •6.2. Фотопроводимость и фотоэффект в p-n-переходах и гетероструктурах
- •Заключение
- •Дополнительная литература
Международный университет природы, общества и человека «Дубна»
Филиал «Угреша»
В.И. Баринов,
доцент,
к.физ.-мат.н.,
Курс лекций
«Физика твердого тела и полупроводников для инженеров»
Учебное пособие
Кафедра новых материалов и технологий
2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I. Строение и механические свойства кристаллических тел
Глава II. Электрические и тепловые свойства кристаллических тел
Глава III. Полупроводниковые гомоструктуры
Глава IV. Полупроводниковые гетероструктуры
Глава V. Аморфные тела
Глава VI. Оптические свойства твердых тел.
Заключение
Дополнительная литература
Введение
Твердые тела – это вещества, которые обладают некоторой жесткостью по отношению к сдвигу. Физика твердого тела – это наука о строении, свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях.
Обычно внутренняя структура твердых тел является кристаллической по форме. Так, например, почти все минералы и все металлы в твердом состоянии являются кристаллами.
Кристаллы характеризуются правильным, упорядоченным расположением атомов. Другими словами, в них существует строгая повторяемость одних и тех же элементов структуры (атомы, группы атомов, молекулы, ионы). Следствием этого оказывается проявление в них резко выраженной анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления.
Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Изотропны, кроме газов и (за отдельными исключениями) всех жидкостей, также аморфные твердые тела. С точки зрения современной физической классификации, аморфные твердые тела представляют собой переохлажденные жидкости.
Физика твердого тела является одним из важнейших разделов современной науки. Можно сказать, что вторая половина ХХ-го века явилась периодом триумфальных успехов в области практических применений ее положений и выводов в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. Это и возникновение полупроводниковой техники во всем ее многообразии, и становление квантовой электроники (твердотельные лазеры, оптоэлектроника, фотоэлектроника), и создание материалов с уникальными физическими свойствами, определяющими в значительной степени важнейшие направления научно-технического прогресса.
В настоящее время физика твердого тела становится базой для создания и бурного развития целого спектра новых научно-технических приложений, объединяемых формально в виде нового класса технологий, а именно, нанотехнологий. Нанотехнологии оперируют с объектами и структурами, имеющими размеры от единиц нанометров (1 нм = 10 -9 м) до десятков и сотен нанометров. В нанометровом диапазоне мы имеем дело уже, фактически, с группами атомов, а в ряде случаев (пока только в научной практике) должны уметь оперировать, буквально, и с отдельными атомами. Обоснованно считается, что нанотехнологии будут определять лицо научно-технического прогресса XXI-го века.
В связи с вышесказанным понятно, почему сегодня в большинстве высших учебных заведений читаются отдельные курсы физики твердого тела, базирующиеся на фундаменте квантовой механики (нерелятивистской) и статистической физики. Последнее уже само по себе предопределяет значительную сложность изучаемого предмета, тем более что большинство изданных учебных пособий методологически ориентировано на возможности студентов-физиков. С другой стороны, учебные пособия, предназначенные для инженерных специальностей, или немногочисленны и, соответственно, труднодоступны, или имеют слишком узкоспециализированный характер. Поэтому в данном учебном пособии, предназначенном для подготовки будущих инженеров в области материаловедения и информатики, упор в изложении материала сделан на сочетании представлений современной физики твердого тела на достаточно доступном уровне с последовательным отражением чисто инженерных характеристик конструкционных и полупроводниковых материалов, а также полупроводниковых приборов. Именно поэтому соответствующий курс лекций, читаемый в филиале «Угреша» университета «Дубна», носит название «Физика твердого тела и полупроводников для инженеров» и ориентирован, как уже было сказано, на студентов инженерных специальностей.
Конечно, в рамках, по сути дела, вводного курса невозможно адекватно отразить все многообразие проблем и достижений физики твердого тела и сопряженных с ней технических дисциплин. Поэтому в конце данного пособия приведен список дополнительной литературы, которая может быть использована для более углубленного изучения конкретных направлений современной физики твердого тела применительно к соответствующим задачам техники и технологии.