Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

4381

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.01.2021
Размер:
980.55 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств

ВОРОНЕЖ 2016

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Н. Матвеев, В.В. Постников, В.В. Саушкин

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств

ВОРОНЕЖ 2016

3

УДК 530.145 Ф50

Евсикова Н.Ю. Квантовая физика [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств / Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Н. Матвеев, В.В. Постников, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 24 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом направления, образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 7. Ил. 4. Библиогр.: 5 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой цифровых технологий факультета компьютерных наук ВГУ, доктор физико-математических наук, профессор Кургалин С.Д.

Ответственный редактор Евсикова Н.Ю.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ........................................................................................................................................

5

Цели и задачи дисциплины ..........................................................................................................

5

Содержание разделов дисциплины .............................................................................................

6

Общие положения по организации самостоятельной работы студентов ...............................

8

Методические рекомендации по работе над конспектом лекций ............................................

9

Методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий...............................

9

Методические рекомендации по организации самостоятельной работы при подготовке к

 

лабораторному практикуму ........................................................................................................

16

Методические рекомендации по подготовке рефератов .........................................................

21

Методические рекомендации по подготовке к зачету .............................................................

22

Методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы ..........................

23

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Квантовая физика» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе современных технологий. Например, законы квантовой физики устанавливают связь между атомарной структурой материалов и свойствами изделий из них, отражая физическую сущность нанотехнологий. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического и технологического профиля.

Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по лабораторным работам;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Квантовая физика» является формирование у студентов знаний и умений по анализу и синтезу квантовых систем, основных элементов особенностей их формирования.

В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, лежащих в основе квантовой физики.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

изучение основных законов квантовой механики и зонной теории кристаллов;

формирование у бакалавров представления о физических процессах и основных закономерностях квантовой физики;

6

овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и полупроводниковых приборов;

формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;

освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем.

формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

В результате освоения дисциплины бакалавр должен:

знать:

физические основы процессов в квантовых структурах, характеристики элементарных квантовых структур, основные закономерности зонной модели;

уметь:

использовать методы адекватного физического и математического моделирования для решения задач современных технологий;

определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

владеть следующими навыками:

применения основных методов физико-математического анализа для решения типовых задач квантовой физики;

использования основных принципов квантовой механики при оценке возможности применения квантовых структур для успешного внедрения и корректировки современных технологий;

обработки и интерпретирования результатов эксперимента;

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Предпосылки квантовой механики. Открытие электрона. Свойства металлов, диэлектриков, полупроводников. Прикладная квантовая физика.

Раздел 1. Элементы квантовой механики

Законы внешнего фотоэффекта и гипотеза Планка в квантовой механике. Корпускулярно-волновой дуализм. Волна де Бройля. Соотношения Гейзенберга. Уравнение Шредингера общий случай и стационарное состояния. Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры. Квантовый осциллятор. Квантовая модель атома водорода. Основные

7

операторы. Квантовые числа и правила перехода. Потоки частиц. Элементы физики потоков и их взаимодействие с веществом. Элементарные частицы и способы их регистрации. Элементы физики элементарных частиц. Радиоактивность и ее законы. Распределение Ферми-Дирака. Распределение БозеЭйнштейна. Теория теплоемкости твердых тел. Фононы. Взаимодействие фононов с электронами.

Раздел 2. Квантовые системы

Квантовая точка, нить, 1-D-структура. Состояния электрона в квантовых структурах. Наноструктуры в современных нанотехнологиях. Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь. Физическая модель: кристалл, как идеальная 1-D-структура, полученная трансляцией элементарной ячейки (решетка Браве). Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям.

Раздел 3. Элементы зонной теории

Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией E>Ec. Дефекты в кристаллах. Доноры и акцепторы. Примесные уровни. Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для числа электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника. Примесные п/п. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника. Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие. Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей. Неосновные носители. Инжекция. Экстракция. Время жизни неосновных носителей. Прямая рекомбинация. Уровни инжекции. Способы инжектирования неосновных носителей. Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводников. Диффузия носителей заряда в полупроводниках. Длина свободного пробега электрона в полупроводниках. Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна. Пространственный заряд.

Раздел 4. Квантовая физика p-n перехода

Современные способы получения p-n перехода. Процессы при образовании p-n перехода. Виды p-n перехода. Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n перехода. Разность потенциалов и диффузионный поток через p-n переход. Гипотеза обеднения. Модель Эмберса-Мола. ВАХ p-n перехода. Выпрямительные диоды. Обратный ток. Ёмкость p-n перехода.

8

Эффект Ганна. Тунельный эффект. Эффект Зеемана и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи.

Раздел 5. Физика полупроводниковых приборов

Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы полупроводниковых диодов. Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока. Искажения сигнала. Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов. Специальные диоды и характеристики области p-n перехода. Варикапы. Оптические свойства полупроводников. Светодиоды и фотодиоды. Диоды сверх высокой частоты. Обратный ток и стабилитроны. Структура биполярного транзистора. Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе. Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой. Транзистор с точки зрения зонной теории. Эквивалентная схема биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора. Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора. Динамический режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка. Режим отсечки

инасыщения. Ключевой режим работы биполярного транзистора. Выходной ток

итемпературная нестабильность биполярного транзистора. Контактная разность потенциалов. Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная зависимость тока через контакт. Обратный ток. Преимущества и недостатки. Диоды Шоттки и их характеристики. Условия вырожденности полупроводников. Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах. Структура полевого транзистора. Моделирование и стоковая характеристика. Истоковая и стоковая характеристики униполярного транзистора. Основные параметры полевого транзистора.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

9

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Важной составной частью изучения дисциплины «Квантовая физика» являются индивидуальные задания, в ходе которых теоретический материал, изученный на лекциях, закрепляется путем решения расчетных и качественных задач различного уровня сложности. Каждый студент получает свой вариант индивидуального задания.

В результате выполнения индивидуальных заданий студент должен сформировать практические навыки:

записи условия задачи, в котором выделяются известные данные и конкретизируется вопрос (в процессе конкретизации определяется характеристика процесса, значение которой необходимо найти);

обоснования выбора пути решения, в котором приводится основная фундаментальная закономерность, позволяющая найти решение задачи;

10

вывода основной формулы решения, получения по ней численного значения, анализа полученного результата;

формулировки ответа на вопрос, поставленный в задаче.

Для формирования перечисленных навыков студент должен самостоятельно решить несколько задач различного уровня сложности на пройденные разделы дисциплины. При необходимости следует обращаться за консультацией к преподавателю. В процессе выполнения индивидуальных заданий рекомендуется обсуждение материала с другими студентами, во время которого закрепляются знания, а также приобретается практика изложения и обсуждения полученных знаний, развиваются коммуникативные навыки.

Перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы. В процессе расчетов следует обратить внимание на согласованность единиц измерения величин, входящих в формулы. (Не забывайте писать, в каких единицах получен результат). Рекомендуемые единицы измерения приведены в перечне используемых обозначений. Все арифметические вычисления следует выполнять с точностью до трѐх значащих цифр, принятой для инженерных расчѐтов.

После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных студента.

При представлении задач обязательными элементами являются:

текст задачи и числовые исходные данные;

расчѐтные формулы;

проверка размерностей.

Впроцессе защиты индивидуального задания студентам могут быть предложены контрольные вопросы и задачи из соответствующего раздела курса.

Небрежно оформленные и выполненные не по своему варианту индивидуальное задания к защите не принимаются.

Выполнение индивидуальных заданий максимально приближает обучение к практическим интересам с учетом имеющейся информации и является результативным методом закрепления знаний.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]