Detail předmětu

Fyzika pevné fáze

FEKT-MKC-FPFAk. rok: 2022/2023

Základní pojmy kvantové a atomové fyziky. Struktura pevných látek. Krystalová mřížka. Pásová teorie pevných látek. Transport elektrického náboje. Elektrony a diry v nerovnovážném stavu. Vybrané polovodičové struktury, zdroje a detektory záření.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyziky (UFYZ)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- vysvětlit chování elektronu v potenciálové jámě a na potenciálové bariéře,
- popsat základní nanostruktury a jejich aplikace (kvantové jámy, dráty, tečky, jednofotonová světloemitující dioda, jednofotonový detektor),
- popsat základní vlastnosti atomů,
- popsat krystalovou strukturu látek a vysvětlit vznik energetických pásů,
- popsat drift a difuzi v pevných látkách,
- vypočítat pohyblivost nosičů náboje z experimentálně získaných dat
- vypočítat dobu života minoritních nosičů proudu a difuzní délku minoritních nosičů z experimentálně získaných dat,
- aplikovat rovnici kontinuity a Poissonovu rovnici,
- popsat základní typy generačních a rekombinačních procesů v polovodičích,
- popsat vznik a vlastnosti PN přechodu,
- popsat LED diodu a solární článek.

Prerekvizity

Student, který si zapíše předmět, by měl být schopen používat kartézský systém souřadnic a měl by ovládat řešení jednoduchých případů rovnoměrných a rovnoměrně zrychlených pohybů, Newtonovy zákony a zákony zachování energie a hybnosti. Měl by umět popsat základní strukturu hmoty na úrovni atomů, dále vysvětlit pojmy elektrický náboj, elektrický proud. Měl by být schopen využít základní veličiny popisující elektrické a magnetické pole k posouzení vlivu těchto polí na pohyb elektrického náboje. Měl by umět popsat kmitavý mechanický harmonický pohyb a vysvětlit vznik mechanického postupného vlnění. Měl by umět aplikovat základní zákony geometrické optiky (zákon odrazu a lomu) pro řešení šíření světelných paprsků. Student by měl ovládat matematický aparát na úrovni základní práce s vektory, derivace a integrace skalárních a vektorových funkcí skalárního argumentu.
Obecně jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia na vysoké škole technického směru. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a laboratorní cvičení. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává v průběhu semestru pět samostatných domácích úkolů.

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti získá až:
- 25 bodů za semestrální práci (řešení zadaných příkladů nebo zpracování zadaného tématu),
- 20 bodů za laboratorní cvičení (6 protokolů),
- 55 bodů za zkoušku (písemná část 35 bodů a ústní část 20 bodů).
Pro postup do ústní části je nutné získat v písemné části alespoň 10 bodů.
Pro úspěšné složení zkoušky je nutné získat z ústní části alespoň 5 bodů.
Zkouška je zaměřena na ověření základních znalostí v oblasti elektrických a optických vlastností pevných látek včetně řešení vybraných příkladů.

Osnovy výuky

1) Základní pojmy kvantové a atomové fyziky. Částice a vlny, fotoelektrický jev, Comptonův jev, de Broglieho vlny.
2) Schrödingerova rovnice, Heisenbergův princip neurčitosti, potenciálové jámy a bariéry, kvantování energie, elektronové pasti.
3) Atomy. Atom vodíku, Bohrova teorie atomu vodíku, kvantová čísla, některé vlastnosti atomů, Pauliho vylučovací princip, periodická soustava prvků.
4) Struktura pevných látek. Elektrické vlastnosti pevných látek, krystalické látky, vazby v krystalu, krystalová mřížka, krystalové soustavy, Millerovy indexy.
5) Poruchy krystalové mřížky, kmity krystalové mřížky, fonony.
6) Pásová teorie pevných látek. Volný elektron, Kvantově mechanická teorie pevných látek, vznik energetických pásů, efektivní hmotnost.
7) Rozdělovací funkce, hustota stavů, koncentrace nosičů náboje, Fermiho hladina, izolanty, kovy, polovodiče, vlastní a příměsové polovodiče, kompenzované a degenerované polovodiče.
8) Transportní jevy v polovodičích. Tepelný a driftový pohyb, Boltzmannova transportní rovnice, elektrická vodivost, Ohmův zákon v diferenciálním a integrálním tvaru, pohyblivost, relaxační doba, rozptylové mechanismy.
9) Hallův jev, termoelektrický jev, Peltierův jev, vliv vnějších polí na elektrickou vodivost, difuze.
10) Polovodič v nerovnovážném stavu. Doba života nadbytečných minoritních nosičů, rovnice kontinuity, ambipolární pohyblivost, difuzní délka, Poissonova rovnice.
11) Generace a rekombinace nosičů, rekombinační centra, pasti, fotoelektrické vlastnosti.
12) Nehomogenní polovodičové systémy. Homogenní a heterogenní PN přechod, kapacita, VA charakteristika, průrazy PN přechodu.
13) Polovodičové zdroje a detektory záření. Zářivá a nezářivá rekombinace, mechanismy vybuzení záření, LED dioda, solární článek.

Učební cíle

Cílem je poskytnout studentům přehled vybraných elektrických a optických vlastností pevných látek včetně příkladů širokého spektra zajímavých aplikací. Praktické ověření získaných poznatků proběhne v laboratorním cvičení.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní výuka je povinná, řádně omluvené zmeškané laboratorní cvičení lze po domluvě s vyučujícím nahradit.

Základní literatura

FRANK, H. Fyzika a technika polovodičů. SNTL, 1990. (CS)
KITTEL, CH. Introduction to Solid State Physics. 7th ed. Wiley, 1996. (EN)
MIŠEK, J.; KUČERA, L.; KORTÁN, J. Polovodičové zdroje optického záření. SNTL, 1988. (CS)
SEEGER, K. Semiconductor Physics. Springer Verlag, 1997. (EN)

Doporučená literatura

DAVIES, J. H. The Physics of Low-dimensional Semiconductors. Cambridge University Press, 1998. (EN)
KELLY, M. J.: Low-dimensional Semiconductors. Clarendon Press, 1995. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MKC-EVM magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program MKC-TIT magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Osnova

1) Základní pojmy kvantové a atomové fyziky. Schrödingerova rovnice, částice a vlny, potenciálové jámy a bariéry, kvantování energie, atom vodíku, některé vlastnosti atomů.
2) Struktura pevných látek. Krystalické látky, krystalová mřížka, krystalografické soustavy, poruchy krystalové mřížky, kmity krystalové mřížky.
3) Pásová teorie pevných látek. Vznik energetických pásů, efektivní hmotnost, rozdělovací funkce, hustota stavů, koncentrace nosičů náboje, Fermiho hladina, kovy, polovodiče, izolanty.
4) Transportní jevy v polovodičích. Boltzmannova transportní rovnice, drift, elektrická vodivost, relaxační doba, rozptylové mechanismy, pohyblivost, Hallův jev, magnetorezistence, termoelektrický jev, Peltierův jev, termomagnetické jevy, difuze.
5) Polovodič v nerovnovážném stavu. Ambipolární pohyblivost, Poissonova rovnice, difúzní délka, generace a rekombinace nosičů, rekombinační centra, pasti, fotoelektrické vlastnosti.
6) Nehomogenní polovodičové systémy. Homogenní a heterogenní přechod, kapacita, VA charakteristika, průrazy, kontakt kov-polovodič.
7) Elektromagnetické vlny v pevných látkách. Vznik a vlastnosti elektromagnetické vlny, interakce s látkou, vlny v krystalech, optické vlastnosti ve vnějším elektrickém a magnetickém poli.
8) Polovodičové zdroje a detektory záření. Zářivá a nezářivá rekombinace, mechanismy vybuzení záření, LED dioda, fotodioda, solární článek, CCD snímač.
9) Lasery. Generace koherentního záření, stimulovaná emise, druhy laserů, plynové, pevnolátkové, polovodičové lasery.
10) Nanostruktury. Kvantové jámy, dráty, tečky, jednofotonová světloemitující dioda, jednofotonový detektor, kvantový počítač.
11) Nelineární optické jevy. Optická vlákna, nelineární prostředí, nelineární jevy druhého a třetího řádu, rozptyl světla.
12) Fotonické krystaly. Princip, vlastnosti, jednorozměrný a dvojrozměrný krystal, poruchy, aplikace.
13) Supravodivost. Vznik supravodivosti, druhy supravodivosti, vysokoteplotní supravodivost, aplikace, Josephsonův jev, kvantový Hallův jev.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Osnova

1) Měření rezistivity polovodičů
2) Kapacitní charakteristiky polovodičových struktur
3) Měření pohyblivosti nosičů náboje
4) Měření doby života minoritních nosičů
5) Hallův jev
6) Studium fluktuačních procesů v pevných látkách