Fizyka polprzewodnikow - Instytut Fizyki AJD, Częstochowa

Kod przedmiotu
13.2-08-13-D/08
LICZBA PUNKTÓW ECTS
Nazwa przedmiotu
FIZYKA PÓŁPRZEWODNIKÓW
Jednostka prowadząca
INSTYTUT FIZYKI
Kierunek studiów
Fizyka, studia stacjonarne I stopnia, specjalność nanotechnologia
Rok, semestr,
formy zajęć i liczba godzin
Formy zajęć
Rok
Semestr
II
IV
wykład
30
Konwersatorium laboratorium
ćwiczenia
15
5
Punkty
ECTS
5
Kierownik i realizatorzy
Wykład: dr Stanislaw Tkaczyk
Ćwiczenia: dr Stanisław Tkaczyk
Przedmioty wprowadzające i
wymagania wstępne
- analiza matematyczna ; elektrodynamika ; termodynamika i fizyka statystyczna
podstawy fizyki (kurs podstawowy) ; elementy fizyki kwantowej
1. Klasyfikacja materiałów według wartości przewodnictwa (metalpółprzewodnik-izolator).
1.1. Elementy teorii pasmowej ciał stałych.
1.2. Równanie Schrödingera dla kryształu - załoŜenia upraszczające.
1.3. PrzybliŜenie jednoelektronowe – pole samouzgodnione.
1.4. Funkcja falowa elektronu w polu periodycznym.
2. Widmo energii elektronu w polu periodycznym.
2.1. PrzybliŜenie elektronu kwazi-swobodnego, przybliŜenie elektronu
silnie związanego – rozwiązania i wnioski.
2.2. Struktura pasmowa.
3. Wpływ pola elektrycznego na pasma energetyczne
3.1. Masa efektywna nośników ładunku, powierzchnie izoenergetyczne.
3.2. Wpływ pola magnetycznego na widmo energii elektronu - poziomy
Landaua.
3.3. Wpływ defektów na widmo energii elektronów – stany zlokalizowane
(stany powierzchniowe i stany domieszkowe).
4. Metal, półprzewodnik i dielektryk na gruncie modelu pasmowego.
4.1. Struktura pasmowa wybranych półprzewodników (Si i GaAs)
Statystyka elektronów i dziur w półprzewodnikach, gęstość stanów,
funkcja rozkładu Fermiego-Diraca, poziom Fermiego. Koncentracja
nośników w pasmach i na poziomach domieszkowych.
5. Równanie neutralnosci elektrycznej kryształu.
5.1. Analiza połoŜenia poziomu Fermiego oraz koncentracji elektronów i
dziur w funkcji temperatury w półprzewodnikach samoistnych i
domieszkowych.
6. Zjawiska kinetyczne.
6.1. Mechanizmy rozpraszania nośników ładunku w półprzewodnikach przekrój czynny.
6.2. Równanie kinetyczne Boltzmanna i jego rozwiązanie w przybliŜeniu
czasu relaksacji.
6.3. Funkcja obsadzenia stanów w warunkach nierównowagowych
6.4. . ZaleŜność czasu relaksacji od temperatury dla róŜnych mechanizmów
rozpraszania.
7. Analiza zjawisk transportu.
7.1. Przewodnictwo elektryczne i efekt Halla dla materiałów z dwoma
rodzajami nośników ładunku.
7.2. Zjawisko magnetooporowe, zjawiska termoelektryczne (Seebecka,
Peltiera i Thomsona), zjawiska termomagnetyczne (Ettingshausena,
Ettingshausena - Nernsta, Righi - Leduca).
7.3. Przewodnictwo elektryczne w silnym polu elektrycznym.
8. Zjawiska powierzchniowe w półprzewodnikach.
8.1. Stany elektronowe powierzchni idealnej, realnej i pokrytej grubą
warstwą dielektryka.
8.2. Ładunek stanów powierzchniowych i przestrzenny ładunek
Ramowy program przedmiotu
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
powierzchniowy w półprzewodniku.
8.3. Pojemność przestrzennego ładunek powierzchniowego, pojemność i
konduktancja stanów powierzchniowych.
8.4. Wyznaczanie parametrów stanów powierzchniowych i powierzchni na
podstawie badań efektu polowego i charakterystyk struktur MIS.
Kwantowanie rozmiarowe w cienkich warstwach i w kanałach inwersyjnych
(podstrefy energetyczne, gęstość stanów). Heterostruktury.
9.1. Warunki niezbędne dla eksperymentalnego ujawnienia efektów
kwantowych.
9.2. Zjawiska transportu w warunkach kwantowania energii nośników przewodnictwo elektryczne i kwantowy efekt Halla (zastosowanie w
metrologii-wzorzec oporu).
Półprzewodniki niekrystaliczne - charakterystyka, modele gęstości stanów,
mechanizm przewodnictwa elektrycznego.
10.1. Wzbudzenia elementarne układów wieloelektronowych (dziury, fonony,
ekscytony, polarony).
Rozkład przestrzenny natęŜenia światła w półprzewodniku: z oraz bez
uwzględnienia interferencji światła wewnętrznie odbitego w próbce.
11.1. Wpływ natęŜenia oświetlenia na parametry półprzewodników.
11.2. Efekt Staeblera-Wrońskiego.
Fenomenologiczny opis zjawisk transportu: równanie ciągłości ładunku w
półprzewodnikach, równania transportu elektronów i dziur.
12.1. Szybkość fotogeneracji i rekombinacji. Mechanizmy rekombinacji
nośników ładunku.
12.2. Ruchliwość unoszeniowa i Halla nośników ładunku.
12.3. Czas Ŝycia nośników ładunku.
12.4. Półprzewodniki relaksacyjne.
Fotoprzewodnictwo.
13.1. Wpływ rekombinacji powierzchniowej na charakterystyki widmowe
fotoprzewodnictwa.
13.2. Zjawiska Dembera i fotomagnetoelektryczne.
13.3. Częstotliwościowe charakterystyki zjawisk fotoprzewodnictwa i
fotomagnetoelektrycznego.
Anomalne efekty fotowoltaiczne.
14.1. Półprzewodniki z gradientem szerokości przerwy energetycznej.
14.2. Półprzewodniki organiczne
Metody doświadczalne badania rekombinacyjnych parametrów
większościowych i mniejszościowych nośników ładunku elektrycznego
elektrycznego półprzewodnikach.
15.1. Metody kontaktowe i bezkontaktowe.
Metody wykorzystujące zaleŜności zaleŜności czasowe, widmowe i zaleŜności
od indukcji pola magnetycznego
lABORATORIUM: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne, mające na celu
zapoznanie ich z działaniem podstawowych elementów półprzewodnikowych
Forma zaliczenia zajęć
Wykład: egzamin końcowy
Laboratorium: ocena z odpowiedzi ustnych i z opracowań wykonanych ćwiczeń
Metoda dydaktyczna
Literatura podstawowa
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
K.W. Szalimowa, Fizyka półprzewodników, PWN, Warszawa 1974 .
P.S.Kirijew, Fizyka półprzewodników,PWN , Warszawa
H.Wolf , Półprzewodniki, WNT,Warszawa 1975
G.I.Jepifanow, fizyczne podstawy mikroelektroniki,WNT,Warszawa 1976
W. Boncz-Brujewicz, S. G. Kałasznikow, Fizyka półprzewodników, PWN,
Warszawa 1985.
A. Szaynok, S. Kuźmiński, Podstawy fizyki powierzchni półprzewodników,
WNT, Warszawa, 2000.
Z. Kleszczewski, Podstawy fizyczne elektroniki ciała stałego, Wyd. Pol. Śl.,
8.
Literatura uzupełniajaca
Gliwice 2000.
U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1996.
1.
2.
R.P.Feynman,R.B..Leighton, M.Sands, Feynmana wykłady z fizyki tom
3 ,PWN,Warszawa 2001
R.Eisberg, R.Resnick , Fizyka kwantowa,PWN, Warszawa 1083