Спецкурс "Введение в физику полупроводников" для студентов 3 курса кафедры физики полупроводников

профессор Виталий Львович Альперович,

доцент Алексей Владимирович Ненашев

Годовой спецкурс "Введение в физику полупроводников" преподается в течение 5-го и 6-го семестров студентам 3 курса кафедры физики полупроводников и преследует цель познакомить с основными идеями, методами и явлениями физики кристаллических твердых тел – металлов, диэлектриков и полупроводников, и, тем самым, подготовить студентов к углубленному изучению отдельных разделов физики полупроводников при дальнейшем обучении на кафедре. Изложение основ физики твердого тела невозможно без использования идей и принципов квантовой механики и статистической физики. Поскольку систематическое изучение этих дисциплин начинается только на 3-ем курсе, необходимые для изучения зонной теории твердых тел сведения по квантовой механике и статистической физике излагаются на качественном уровне, без привлечения сложного математического аппарата. Большое внимание уделено центральным идеям физики кристаллических твердых тел: о симметрии кристаллов и о квазичастицах. Лекционные занятия проводятся в "интерактивном" режиме, с возможностью для студентов задавать вопросы лектору (и наоборот) непосредственно по ходу изложения. Для лучшего усвоения материала, кроме лекций, проводятся мини-контрольные по отдельным темам, семинары (с разбором наиболее сложных вопросов и решением задач) и коллоквиумы. На каждый семестр подготовлены задания. В конце пятого семестра предусмотрен зачет, а по завершении курса, в конце шестого семестра – экзамен.

Наряду с изучением основ физики полупроводников, спецкурс знакомит студентов с основными направлениями исследований в Институте физики полупроводников СО РАН – базовом институте кафедры. Для этого по ряду разделов программы мы постарались продвинуться от изучения основ к изложению современного состояния исследований и рассказу о работе сотрудников Института в данной области. Вслед за такими занятиями в рамках спецкурса организуются ознакомительные экскурсии в лаборатории Института, которые проводят, вместе с преподавателем, ведущие научные сотрудники. Это помогает студентам более осознанно выбрать научные задачи и руководителей дипломной практики.

ПРОГРАММА

1. Атомная структура полупроводников

Симметрия кристаллов. Трансляционная симметрия кристаллов. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Примитивная ячейка. Ячейка Вигнера—Зейтца. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Дифракционные методы определения атомной структуры. Условие Брэгга. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна. Структура важнейших полупроводников: Ge, Si, GaAs. Дефекты структуры в кристаллах.

2. Колебания решетки

Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы.

3. Основы зонной теории полупроводников

Основные приближения зонной теории. Волновая функция электрона в периодическом поле кристалла. Теорема Блоха. Зона Бриллюэна. Методы сильно и слабо связанных электронов. Энергетические зоны. Закон дисперсии. Изоэнергетические поверхности. Тензор обратной эффективной массы. Плотность состояний. Уравнения движения электронов и дырок во внешних полях. Метод эффективной массы. Энергетические зоны в электрическом поле. Движение электронов и дырок в магнитном поле. Определение эффективных масс из циклотронного (диамагнитного) резонанса. Уровни энергии, создаваемые примесными центрами в полупроводниках. Доноры и акцепторы. Водородоподобные примесные центры. Глубокие примесные уровни.