УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА · web viewКурс 3 Семестр 5. Экзамен - 5...

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный химико-технологический университет»

Факультет неорганической химии и технологии

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение»

Направление подготовки 150600 «Материаловедение и технология новых материалов»

Квалификация (степень) Бакалавр

Форма обучения очная

Составитель: к.ф-м.н., доцент А.Н. Иванов

Иваново, 2011

1

Дисциплина «Материаловедение» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин по направлению: «Материаловедение и технология новых материалов»

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММАКурс 3 Семестр 5. Экзамен - 5 семестр.

общее число часов по дисциплине -153.Аудиторные занятия 76 часов.Лекции - 38 час.Лабораторнo-практические занятия - 38 час.Самостоятельная работа – 77 час.

1. ВВЕДЕНИЕ.1.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ.

Целями освоения дисциплины являются изучение основ строения материалов и физики происходящих в них явлений, характеристик материалов; формирование навыков экспериментальных исследований свойств материалов. Это одна из основных дисциплин профиля, ибо без знания физико-химических характеристик материалов и протекающих в них физических процессов невозможны сознательные и эффективные подходы к разработке изделий электронной техники и к организации технологических процессов.

1.2. ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.

Формирование у будущих специалистов принципов физического и инженерного подхода к оценке возможностей использования материалов в конкретных элементах и устройствах.1.3. ТРЕБОВАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕВыпускник должен: иметь представление:- о месте и роли новых материалов в развитии науки, техники и технологии;- о классификации материалов по свойствам и техническому назначению;- об основных эксплуатационных характеристиках материалов при использовании их в современной электронной аппаратуре.знать и уметь использовать:

- физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах в различных условиях их эксплуатации;- методы оценки основных свойств материалов;- справочный аппарат для выбора требуемых материалов для конкретных устройств;иметь навыки (опыт)- использования правильной терминологии, определений, обозначений и единиц измерения величин для описания характеристик материалов и областей их применения;- экспериментального исследования основных характеристик материалов электронной техники.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (Учебные модули)

Модуль 1. Строение и свойства материалов, фазовые диаграммы, получение монокристаллов

а) Лекционный материал (8 час):Лекция 1. Особенности строения твердых тел. Строение и свойства материалов.

Основные понятия о механических, электрофизических, химических свойствах и эксплуатационных характеристиках материалов.

2

Лекция 2. Классификация твердых материалов, требования к ним с точки зрения применения в изделиях электронной техники и технологии. Типы структур материалов, их состояний. Фазовые переходы и рост кристаллов.

Лекция 3. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния однокомпонентной системы. Уравнение Клайперона –Клаузиуса. Анализ уравнения при равновесии ж.-тв., ж.-г., ж.-тв. Виды диаграмм фазового состояния для бинарной системы. Кривые охлаждения.

Лекция 4. Диаграммы плавкости для бинарных систем без твердых растворов. Диаграммы плавкости для бинарных систем с неограниченной растворимостью в жидких и твердых фазах. Правило рычага.

Лекция 5. Диаграммы плавкости бинарных систем с ограниченными твердыми растворами на примере эвтектики. Диаграммы плавкости бинарных систем с ограниченными твердыми растворами на примере перитектики. Диаграммы плавкости бинарных систем с химическими соединениями в твердой фазе.

Лекция 6. Форма кристаллов и строение слитков. Поликристаллические и аморфные материалы. Монокристаллические материалы. Получение монокристаллов. Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. Выращивание кристаллов из растворов. Рекристаллизация. Получение монокристаллов из газовой фазы. б) Практические занятия (4 час).

Решение задач по однокомпонентным диаграммам плавкости. Анализ и описание двухкомпонентных диаграмм плавкости. Использование правила рычага и построение кривых охлаждения. Решение задач на уравнение Клайперона–Клаузиуса. Контрольная работа по решению задач. Промежуточный контроль теоретических знаний.в) Самостоятельная работа (15 час).

Подготовка к лабораторным и практическим занятиям, промежуточному контролю, оформление отчетов по лабораторным работам. Выполнение домашнего задания по материалу модуля.

Формы отчетности:Коллоквиум - 1; (срок сдачи - неделя № 4).

Модуль 2. Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике

а). Лекционный материал (6 час):Лекция 7. Общие сведения о проводниках Классическая теория

электропроводности металлов. Квантовая статистика электронов в металлах.Лекция 8. Температурная зависимость удельного сопротивления металлических

проводников. Влияние примесей и структурных дефектов. Лекция 9. Электрические свойства металлических сплавов. Электропроводность на

высоких частотах. Сопротивление тонких металлических пленок. Термоэлектрические явления в проводниках.б) лабораторные занятия (8 час):

1. Лабораторная работа №1 Определение удельного сопротивления и ТКС металлов. (4 часа), недели №№ 1, 2.

2. Лабораторная работа №2 Исследование термоэлектрических явлений в проводниках (4 часа), недели №№ 3, 4.

в) практические занятия (семинары) (4 час).Решение задач по теме «Металлы и сплавы». г) индивидуальная работа с преподавателем (час): ______-_____________д) самостоятельная работа (час): ____________________15________________

3

Формы отчетности:Коллоквиум – 2; (срок сдачи - неделя № 8)

Модуль 3. Полупроводниковые материалы – свойства и применение в электронной технике

а). Лекционный материал (8 час):Лекция 10. Общие сведения о полупроводниках. Собственный полупроводник.

Примесный полупроводник.Лекция 11. Электропроводность полупроводников. Рассеяние носителей заряда.

Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда.

Лекция 12. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Виды поглощения. Полный спектр поглощения. Фотопроводимость.

Лекция 13. Термо-ЭДС в полупроводниках. Полупроводник в сильных электрических полях. Влияние напряженности поля на подвижность и концентрацию носителей заряда. Туннельный эффект. Наклон энергетических зон в электрическом поле.б) лабораторные занятия (10 час):

3. Определение типа проводимости и удельного сопротивления полупроводника зондовым методом (6 часа), неделя №№ 5,6.

4. Исследование поглощения света полупроводниками (4 часа), неделя №№ 7,8.в) практические занятия (семинары) (6 час).Решение задач по теме «Полупроводники». г) индивидуальная работа с преподавателем (час):______-________________д) самостоятельная работа (час): ____________________16____________________Формы отчетности:

Коллоквиумы – 3; (срок сдачи - неделя № 13)

Модуль 4. Диэлектрические материалыа). Лекционный материал (8 час):

Лекция 14. Общие сведения о диэлектриках. Физические процессы в диэлектриках и их свойства. Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации. Токи смещения и электропроводность полупроводников.

Лекция 15. Потери в диэлектриках. Пробой. Активные диэлектрики. Конденсаторная сегнетокерамика. Материалы для варикондов. Сегнетоэлектрики с ППГ(прямоугольной петлёй гистерезиса).

Лекция 16. Электрооптические кристаллы. Материалы для нелинейной оптики. Пьезоэлектрики. Пироэлектрики. Электреты. Жидкие кристаллы.

Лекция 17. Магнитные свойства твердых тел. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Структурные особенности, характеристики, понятия изотропных материалов: порошковые и гранулированные материалы, слоистые и волокнистые композиционные материалы, полимерные и другие органические материалы, углеродные материалы, их классификации, свойства, области оптимального использования. б) лабораторные занятия (8 час):

5. Исследование оптических свойств диэлектриков ("стекла") (4 часа), неделя № 5.

6. Исследование диэлектрических характеристик материалов. (4 часа), неделя № 6.

в) практические занятия (семинары) (6 час).Решение задач по теме «Диэлектрические материалы». г) индивидуальная работа с преподавателем (час):______-_________________

4

д) самостоятельная работа (час): ____________________16________________Формы отчетности:

Коллоквиум – 4; (срок сдачи – неделя № 18)

5

ГРАФИК ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ

Количество баллов в соответствии с действующей в университете рейтинговой системой, которое может набрать студент

Семестр Контрольные точки

Название темы изучения Вид отчетности Срок сдачи

(неделя)

Рейтинг (баллы)

5 1 Модуль 1. Строение и свойства материалов, фазовые диаграммы,получение монокристаллов

Защита лабораторной работы

№ 1,2Контрольная работа

№1.Сдача коллоквиума

№1.

4 16

2 Модуль 2. Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике.



№2.Сдача коллоквиума

№2.

12 33

3 Модуль 3. Полупроводниковые материалы – свойства и применение в электронной техникеМодуль 4. Диэлектрические материалы.



№3,4.Сдача коллоквиума

№3,4

16 50

Экзамен 50

Итого за семестр 100

6

КАРТА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ДИСЦИПЛИНЫ УЧЕБНОЙ И МЕТОДИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРОЙ

№ Шифр Название Кол-во (экз.) экз/чел

1. 621.38П19

Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- СПб.: Лань, 2001.- 367 с. 39 1,9

2. 621.38А72

Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники: Задачи и вопросы. Учеб. пособие для вузов. - СПб.: Лань, 2001,-208 с.

39 1,9

3. 621.38Э245

Электронное материаловедение. Лаб. практикум. Под ред. В.А. Титова. Иваново, Изд. ИГХТУ, 2003 г., 108 с. 77 3,5

4.Физические методы исследования материалов электронной техники. Уч. пособие Ставрополь, Изд. Сев-Кавказ. ГТУ, 2002 г., 429 с.

25 1,25

5.Рембеза, С.И., Синельников, Б.М., Рембеза, Е.С., Физические методы исследования материалов твердотельной электроники .— Ставрополь: [Северо-кавказ. гос. техн. ун-т], 2002 .— 429 с. (30)

30 1.5

6. 620М 341

Материаловедение. Технология конструкционных материалов : уч. пособие для вузов/ А. В. Шишкина [и др.] ; под ред. В. С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. - М. : [Омега-Л] , 2006. - 751 с :

10 0,5

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

№ ОписаниеЧисло

экземпляров

Число студентов ККО

1 Зегря, Г. Г., Перель,, В. И. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит, 2009.336 с. (1) 1 — —

2Антипов, Б.Л., Сорокин, В.С., Терехов, В.А. Материалы электронной техники:Задачи и вопросы .— М.: Высш.шк., 1990 .— 208с. (31)

31 — —

3 Пасынков, В.В. Материалы электронной техники .— М.: Высш.шк., 1980 .— 408с. (49) 49 — —

4 Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение .— М.: Металлургия, 1989 .— 452с. (95) 95 — —

5Геллер, Ю.А., Рахштадт, А. Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи .— М.: Металлургия, 1975 .— 447 с. (24)

24 — —

6 Мозберг, Р. К. Материаловедение .— М.: Высш. шк., 1991 .— 448 с. (94) 94 — —

7Фетисов,, Г. П., Карпман,, М. Г., Матюнин, В. М. Материаловедение и технология металлов .— М.: Высшая школа, 2000 .— 638 с. (30)

30 — —

8 Сивухин, Д.В. Термодинамика и молекулярная физика .— М., 1979 (1) 1 — —

9Пасынков, В. В., Сорокин, В. С. Материалы электронной техники .— М.: Высш. шк., 1986 .— 368 с. (24)

24 — —

7

ПРАКТИЧЕСКИЕ (СЕМИНАРСКИЕ) ЗАНЯТИЯ И ПРОГРАММА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ

Семестр Номер

работы

Содержание занятия. Выполнени

е (недели)

Часы

1 2 3 4 5

8

Модуль 1. Строение и свойства материалов, фазовые диаграммы, получение монокристаллов

1а. Решение типовых задач.

б. Самостоятельная работа.

1 3

Модуль 2. Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике.



5 3




5 3

Модуль 4. Диэлектрические материалы.



12, 13 3

КОМПЛЕКТ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Модуль 1. Строение и свойства материалов, фазовые диаграммы, получение монокристаллов1. Определить длину связи Ga As, если период идентичности решетки GaAs равен 0.566 нм.2. Рассчитать энергию, необходимую для испарения 1 г германия (Дж), если энергия связи Ge Ge равна 1.73 эВ.3. Жидкая ртуть имеет плотность 13,69 г/см3, твердая 14,193 г/см3. Обе плотности в точке плавления (-38,87ºС) при 1 атм. Теплота плавления равна 2,33 кал/г. Рассчитать температуру плавления ртути при давлении 10 атм и 3540 атм.4. При 0ºС теплота испарения и плавления Н2О равны 595 и 79,7 кал/г. Давление пара воды при 0ºС равно 4,58 мм рт ст. Рассчитать давление пара льда при -15ºС, считая, что изменение энтальпии не зависит от температуры. 5. Сможет ли человек весом 100 кг, коньки которого имеют площадь опоры 0,07 см2 кататься при -10ºС. Необходимо, чтобы лед под ним превратился в жидкость. При 0ºС теплота плавления льда 79,7 кал/г, плотность льда 0,9163 г/см3, воды - 0,9998 г/см3. 6. Как изменится точка кипения воды (100ºС), при изменении с атмосферного давления до 120 атмосфер. При 100ºС и атмосферном давлении теплота испарения 539,7 кал/г, мольный объем воды 18,78 см3, пара 30,199 л.7. Рассчитать изменение давления, требуемое для того, чтобы вода замерзала при -10ºС. При 0ºС теплота плавления льда 79,7 кал/г, плотность льда 0,9163 г/см3, воды 0,9998 г/см3

Давление пара твердого Cl2 равно 2,64 мм рт ст при -112 С и 0,26 мм рт ст при -126,5 С.

8

Давление пара жидкого Cl2 равно 11,9 мм рт ст при -100 С и 58,7 мм рт ст при -80 С. Оцените положение тройной точки.8. Как изменится точка кипения воды (100ºС) на высоте Эвереста (8848 м). При 100ºС и атмосферном давлении теплота испарения 539,7 кал/г, мольный объем воды 18,78 см3,

пара 30,199 л. Давление с высотой убывает по закону: . Определить во

сколько раз измениться давление пара над жидким хлором при повышении температуры с -100 до -50 оС. Теплота возгонки ΔНвозг =31.3 кДж/моль, а теплоту плавления ΔНпл=9.2 кДж/моль.9. Проанализировать заданную Т – Х диаграмму (10 штук в комплекте): а) определить тип диаграммы;б) отметить линии ликвидуса и солидуса;в) заполнить поля диаграммы (указать какие фазы находятся в равновесии);г) определить формулу химического соединения (если оно образуется в системе);д) описать измененние состояния системы, отмеченной фигуративной точкой, при охлаждении (указать число фаз, компонентов и степеней свободы). Построить кривые охлаждения.е) указать весовой состав фаз на фигуративной точке со штрихом.

Модуль 2. Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике1. Определить температуру, при которой вероятность нахождения электрона с

энергией на 0.5 эВ выше уровня ферми в металле равна 1%.2. Сопротивление квадрата поверхности резистора, покрытого металлической

пленкой, равно 100 Ом/квадрат. Керамическое основание резистора имеет диаметр 7,5 мм, расстояние между контактными узлами равно 11 мм. Чему равно сопротивление этого резистора?

3. Вычислить минимальную длину волны Де Бройля для свободных электронов в медном проводнике, где энергия Ферми составляет 7 эВ.

4. К медной проволоке длиной 6 м и диаметром 0.56 мм приложено напряжение 0.1 В. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за 10 с, если удельное сопротивление меди равно 0.017 мкОмм?

5. Медный и алюминиевый провода равной длины имеют одинаковые сопротивления. Определить отношение диаметров этих проводов. Вычислить во сколько раз масса алюминиевого провода меньше массы медного провода.

6. Определить минимальную длину волны Де Бройля для свободных электронов при Т ~ 0 К в металле с простой кубической кристаллической решеткой, если на каждый атом кристалла приходится один свободный электрон. Период решетки равен 0.3 нм.

7. Определить температурный коэффициент линейного расширения и удлинение нихромовой проволоки, если известно, что при повышении температуры от 20 до 1000 оС электрическое сопротивление проволоки изменяется от 50 до 56,6 Ом. Длина проволоки в холодном состоянии 50 м. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихрома равен 15710-5 К-1.

8. Оценить среднее энергетическое расстояние между разрешенными энергетическими уровнями зоны проводимости в кристалле серебра объемом 1 см3, если энергия Ферми равна 5.5 эВ, считая что уровни распределены по шкале энергий равномерно.

9. Определить, во сколько раз изменится удельная теплопроводность меди при изменении температуры от 20 до 200 оС. Температурный коэффициент удельного сопротивления меди при 20 оС равен 4.3710-3 К-1.

9

10. Из никелевой ленты шириной 1 см и толщиной 1 мм необходимо изготовить шунт сопротивлением 0,4 Ом. Какой длины должна быть лента, если удельное сопротивление никеля 0.068 мкОмм?

11. Энергия Ферми в кристалле серебра составляет 5.5 эВ. Найти максимальную скорость электронов проводимости при температуре вблизи абсолютного нуля.

12. Вычислить удельную теплопроводность меди при комнатной температуре по измеренному значению ее удельного сопротивления 0.017 мкОмм.

13. Найти максимальную скорость теплового движения свободных электронов в металле при температуре вблизи абсолютного нуля, если концентрация электронов равна 8.571028 м-3.

14. Вычислить концентрацию свободных электронов в кристалле меди, если известно, что плотность меди 8.927103 кг/м3. На каждый атом меди приходится один электрон.

15. Вычислить длину свободного пробега электронов в меди при 300 К, если ее удельное сопротивление при этой температуре равно 0.017 мкОмм.

16. На диэлектрическую подложку нанесена металлическая пленка толщиной 0.1 мкм, имеющая форму прямоугольника размерами 1х5 мм. Сопротивление пленки при напряжении, приложенном в продольном направлении, составляет 100 Ом. Определить сопротивление квадрата пленки, а также сопротивление пленки в поперечном направлении (параллельно меньшей стороне прямоугольника).

17. В медном проводнике под действием электрического поля проходит электрический ток плотностью 1 А/мм2. Определить скорость дрейфа электронов при 300 К.

18. Вычислить падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном из константановой проволоки длиной 10 м при плотности тока 5 А/мм2. Удельное сопротивление константана равно 0.5 мкОмм.

19. При включении в электрическую цепь проводника диаметром 0.5 мм и длиной 43 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2.4 В при токе 2 А. Определить удельное сопротивление материала проводника.

20. Катушка из медной проволоки имеет сопротивление 10.8 Ом. Масса медной проволоки 0.3 кг. Определить длину и диаметр проволоки.

21. При нагревании провода из манганина длиной 1,5 м и диаметром 0,1 мм от 20 до 100 оС его сопротивление уменьшается на 0,07 Ом, а длина возрастает на 0,16%. Определить температурный коэффициент удельного сопротивления. При комнатной температуре удельное сопротивление манганина составляет 0,47 мкОмм.


1. Рассчитайте массу легирующей добавки цинка, которую необходимо ввести в пластину арсенида галлия объемом 120 мм3, чтобы при равномерном распределении примеси удельное сопротивление материала пластины уменьшилось в сто раз. Рассчитайте положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны получившегося примесного полупроводника при 300 К. GaAs: Eg = 1,43 эВ; Ea = 0,031 эВ; mn = 0,072; mp = 0,5; μn = 0,85 м2/(В·с); μp = 0,042 м2/(В·с)

2. Подвижности электронов и дырок в фосфиде индия при 300 К равны 0,46 и 0,015 м2/(В·с) соответственно. Найдите коэффициенты диффузии электронов и дырок при этой температуре.

3. Имеется кристалл кремния p-типа при 300 К. Определите, при какой концентрации бора уровень Ферми будет совпадать с потолком валентной зоны. Определите удельную проводимость полупроводника при этих условиях. Si: Eg = 1,11 эВ; Ea = 0,045 эВ; mn = 0,33; mp = 0,56; μn = 0,14 м2/(В·с); μp = 0,05 м2/(В·с)

10

4. Вычислите диффузионную длину электронов в кремнии при 300 К, если их время жизни 96 мкс, а подвижность 0,14 м2/(В·с)

5. Имеется кристалл фосфида галлия при 25 К легированный литием. Определите, при какой концентрации примеси уровень Ферми совпадает с уровнем лития. Какова удельная проводимость этого материала при 400 К? GaP: Eg = 2,27 эВ; Ed = 0,061 эВ; mn = 0,5; mp = 0,36; μn = 0,019 м2/(В·с); μp = 0,012 м2/(В·с)

6. Найдите ток, протекающий через кубический кристалл арсенида галлия со стороной 1 мм, концентрацией электронов 1012 см-3 и концентрацией дырок 1015 см-3, если напряжение 2 В приложено к противоположным граням. GaAs: Eg = 1,43 эВ; mn = 0,072; mp = 0,5; μn = 0,85 м2/(В·с); μp = 0,042 м2/(В·с)

7. Образец содержит один атом сурьмы на 107 атомов кремния. Определите удельное сопротивление материала при 300 К. Какую нужно создать концентрацию бора, чтобы тип проводимости изменился на противоположный, а удельная проводимость увеличилась в два раза. Найдите положение уровня Ферми в получившемся полупроводнике p-типа. Si: Eg = 1,11 эВ; Ed = 0,043 эВ; Ea = 0,045 эВ; mn = 0,33; mp = 0,56; μn = 0,14 м2/(В·с); μp = 0,05 м2/(В·с)

8. В собственном фосфиде индия измеренное удельное сопротивление составило 15 Ом·м. Найдите плотность пар электрон-дырка. μn = 0,46 м2/(В·с); μp = 0,015 м2/(В·с)

9. Рассчитайте положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны в арсениде галлия, содержащем в одном кубическом сантиметре 1013 атомов свинца (донор) и 1014 атомов кадмия (акцептор), при 300 К. Как и во сколько раз отличалось бы удельное сопротивление полупроводника, если бы он содержал только свинец в указанной концентрации. GaAs: Eg = 1,43 эВ; Ed = 0,058 эВ; Ea = 0,035 эВ; mn = 0,072; mp = 0,5; μn = 0,85 м2/(В·с); μp = 0,042 м2/(В·с)

10. Сколько дырок содержит 1 мг германия p-типа при 300 К если его удельная проводимость равна 100 См/м, а плотность 5,32 г/см3? Ge: Eg = 0,664 эВ; mn = 0,22; mp = 0,39; μn = 0,38 м2/(В·с); μp = 0,182 м2/(В·с)

11. В образце на каждые 106 атомов кремния приходится один атом сурьмы и два атома алюминия. Найдите положение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны и удельное сопротивление полупроводника при 300 К. Si: Eg = 1,11 эВ; Ed = 0,043 эВ; Ea = 0,068 эВ; mn = 0,33; mp = 0,56; μn = 0,14 м2/(В·с); μp = 0,05 м2/(В·с)

12. Дрейфовый ток плотностью 0,1 А/см2 течет через образец германия n-типа с удельным сопротивлением 5 Ом·см. За какое время электроны проходят расстояние 0,05 мм? Ge: Eg = 0,664 эВ; mn = 0,22; mp = 0,39; μn = 0,38 м2/(В·с); μp = 0,182 м2/(В·с)

13. Имеются два полупроводника – собственный германий и кремний, содержащий примесь фосфора, при 250 К. При какой концентрации примеси удельное сопротивление кремния n-типа будет в 50 раз меньше удельного сопротивления собственного германия? Рассчитайте положение уровня Ферми в n-кремнии относительно середины запрещенной зоны. Si: Eg = 1,11 эВ; Ed = 0,045 эВ; mn = 0,33; mp = 0,56; μn = 0,14 м2/(В·с); μp = 0,05 м2/(В·с), Ge: Eg = 0,664 эВ; mn = 0,22; mp = 0,39; μn = 0,38 м2/(В·с); μp = 0,182 м2/(В·с)

14. Какой объем имеет кристалл кремния n-типа содержащий 2·1010 электронов проводимости если его удельное сопротивление 0,9 Ом·см

15. Определите среднюю скорость дрейфа дырок в германии p-типа при 300 К, если к образцу приложено электрическое поле напряженностью 100 В/см. Удельная проводимость образца 0,13 См/м. Концентрация дырок 4,3·1018 м-3.

16. Определите положение уровня Ферми при 300 К в арсениде галлия, легированном селеном с концентрацией 1023 м-3. Определите, как и во сколько раз отличаются удельное сопротивление данного полупроводника и собственного арсенида

11

галлия при той же температуре. GaAs: Eg = 1,43 эВ; Ed = 0,058 эВ; mn = 0,072; mp = 0,5; μn = 0,85 м2/(В·с); μp = 0,042 м2/(В·с)

17. Удельное сопротивление антимонида индия с концентрацией дырок 1023 м-3 при 300 К составляет 6·10-4 Ом·м. Определите подвижности электронов и дырок, если их отношение μn/μp = 10, а концентрация собственных носителей заряда в антимониде индия при этой температуре 2·1022 м-3.

18. Чему равна концентрация дырок в германии, содержащем один атом фосфора на 106 атомов основного вещества при 290 К? Определите положение уровня Ферми относительно дна зоны проводимости. Ge: Eg = 0,664 эВ; Ed = 0,0129 эВ; mn = 0,22; mp = 0,39; μn = 0,38 м2/(В·с); μp = 0,182 м2/(В·с)

19. Образец кремния содержит в качестве примеси фосфор с концентрацией 2·1020 м-3. Какую нужно создать концентрацию атомов галлия в этом полупроводнике, чтобы тип электропроводности сменился на противоположный, а удельное сопротивление стало равным 0,5 Ом·см? Si: Eg = 1,11 эВ; Ed = 0,045 эВ; mn = 0,33; mp = 0,56; μn = 0,14 м2/(В·с); μp = 0,05 м2/(В·с)

20. Сравнить относительные изменения удельных проводимостей меди и собственного германия при повышении температуры от 20 до 21 градуса Цельсия. Ge: Eg = 0,664 эВ; mn = 0,22; mp = 0,39; μn = 0,38 м2/(В·с); μp = 0,182 м2/(В·с); d = 5,32 г/см3; a = 0,566 нм; = 16, Cu: d = 8,92 г/см3; ρ(20ºC) = 0,017 мкОм·м; = 4,3·10-3 K-1; l = 16,6·10-6 K-1; a = 0,361 нм

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Семестр Номер работы

Название работы Выполнение (недели)

Часы

5

Модуль 2. Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике.

1 Определение удельного сопротивления и ТКС металлов

1, 2 4

2 Исследование термоэлектрических явлений в металлах 3, 4 4Модуль 3. Полупроводниковые материалы – свойства и применение в электронной

технике

3 Определение типа проводимости и удельного сопротивления полупроводника зондовым методом

5, 6, 7 6

4 Исследование поглощения света полупроводниками 8, 9, 10 4Модуль 4. Диэлектрические материалы.

5 Исследование оптических свойств диэлектриков 11, 12 4

6 Исследование диэлектрических характеристик материалов

13,14 4

Контрольные вопросы по лабораторным работам.Лабораторная работа №1.

1. Почему удельное сопротивление металлов растет с повышением температуры?2. Что называют температурным коэффициентом удельного сопротивления? Является

ли эта характеристика константой для данного металла?3. Как влияют примеси на удельное сопротивление металлов? Сформулируйте

правило Матиссена.4. Выведите соотношение (11), связывающее температурные коэффициенты

сопротивления и удельного сопротивления проводника.

12

5. Почему металлические сплавы типа неупорядоченных твердых растворов обладают большим удельным сопротивлением, чем чистые компоненты, образующие сплав?

Лабораторная работа №2.1. Какое явление называется эффектом Зеебека?2. Что называется коэффициентом термоЭДС?3. Назовите основные механизмы, ответственные за возникновение термоЭДС.4. Какие материалы используются для изготовления термоэлементов?

Лабораторная работа №3.1. Каковы причины появления термоЭДС в полупроводниках?2. От каких факторов зависит знак и величина термоЭДС в собственном и примесном

полупроводнике? Как по знаку термоЭДС определить тип проводимости полупроводника?

3. Предложите метод определения типа проводимости с использованием двух зондов, но без термического нагрева материала.

4. Каков будет знак термоЭДС в собственном кремнии?5. Опишите суть четырехзондового метода определения удельного сопротивления

полупроводников?6. Получите выражение для расчета удельного сопротивления образца

полубесконечного объема по результатам измерений четырехзондовым методом.7. Почему в расчетные формулы для удельного сопротивления образцов конечных

размеров вводятся поправки?8. Укажите основные источники погрешности определения удельного сопротивления

четырехзондовым методом. Как можно свести эти погрешности к минимуму?Лабораторная работа №4.

1. Какие носители заряда называются неравновесными?2. Какое явление называется внутренним фотоэффектом?3. От каких факторов зависит величина фотопроводимости полупроводников?4. Что такое квантовый выход?5. Назовите основные механизмы поглощения излучения полупроводниками.6. Дайте качественное объяснение спектральной зависимости фотопроводимости.

Лабораторная работа №5.1. Назовите основные оптические характеристики веществ.2. Какие механизмы поглощения излучения вам известны?3. Что называется спектром отражения и спектром поглощения вещества.4. Охарактеризуйте кратко группы оптических стекол.

Лабораторная работа №6.

1. Диэлектрические материалы.2. Механизмы поляризации диэлектриков.3. Токи смещения и электропроводность диэлектриков.4. Потери и пробой в диэлектриках.5. Классификация и виды активных диэлектриков.

13

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОРГТЕХНИКИ

Все лабораторные занятия проводятся в лабораторных помещениях кафедры «Технологии приборов и материалов электронной техники».

В качестве технических средств используются лабораторные установки, оснащенные измерительными приборами, источниками тока, осциллографами и монохроматорами.

Обработку экспериментальных данных проводят с использованием персональных компьютеров IBM PC совместимых.

В качестве прикладных программных средств для данной дисциплины используются:

стандартные программы базового комплекта ОС Windows; текстовый процессор Word и процессор электронных таблиц Excel из

стандартного пакета MS Office; программа графопостроитель с возможностью обработки вводимых данных

Microcal Origin не ниже 6.0 версии. программа mnk.exe для статистической обработки экспериментальных данных

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

В самостоятельную работу включается:1. Заблаговременная разработка алгоритма и составление примерного плана

выполнения лабораторных работ предусмотренных учебным планом.2. Ведение лабораторного журнала вне аудиторных занятий и подготовка отчета обо

всех выполненных работах.3. Подготовка к сдаче коллоквиумов по темам, предусмотренным учебным планом.4. Подготовка к практическим занятиям и решение домашних задач.

СПИСКИ ВОПРОСОВ К ТЕКУЩИМ КОЛЛОКВИУМАМ

Коллоквиум №11. Классификация материалов, применяемых в электронной технике. 2. Требования, предъявляемые к материалам различных классов.3. Особенности строения твердых тел. 4. Кристаллические и аморфные тела. Монокристаллы.5. Механизмы кристаллизации из расплавов. 6. Центры кристаллизации. 7. Факторы, влияющие на скорость роста, форму и размеры кристаллов. 8. Строение слитков.9. Выращивание монокристаллов из расплавов. 10. Методы Бриджмена и Чохральского.11. Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. 12. Методы зонной очистки материалов. 13. Выращивание кристаллов из растворов. 14. Факторы влияющие на процессы зарождения и роста кристалла.15. Сущность процесса рекристаллизации и его применение. 16. Выращивание монокристаллов из газовой фазы. 17. Применение транспортных реакций.

Коллоквиум №21. Классическая теория электропроводности металлов – основные положения и

противоречия.

15

2. Квантовая статистика электронов в металлах и базирующаяся на ней теория электропроводности.

3. Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводниковых материалов

4. Влияние примесей и структурных дефектов на электропроводность металлов. 5. Электрические свойства металлических сплавов.6. Электропроводность тонких металлических пленок.7. Термоэлектрические явления в проводниках.

Коллоквиум №31. Собственный полупроводник.2. Примесный полупроводник.3. Электропроводность полупроводник. Рассеяние носителей заряда.4. Неравновесные носители в полупроводниках.5. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Виды поглощения.

Полный спектр поглощения полупроводниками. 6. Фотопроводимость полупроводников. Термо-ЭДС в полупроводниках.7. Полупроводники в сильных электрических полях.

Коллоквиум №41. Диэлектрические материалы.2. Механизмы поляризации диэлектриков.3. Токи смещения и электропроводность диэлектриков.4. Потери и пробой в диэлектриках.5. Классификация и виды активных диэлектриков.6. Сегнетоэлектрики.7. Электрооптические кристаллы и материалы нелинейной оптики.8. Пьезо-, пироэлектрики. Электреты.9. Жидкие кристаллы.

Итоговый зачет формируется из вопросов всех трех коллоквиумов на выбор преподавателя.

СПИСКИ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Тестовое задание 1.Тестовый модуль содержит 10 вопросов, составленных на основе лекционного модуля “ Строение и свойства материалов, получение монокристаллов ”.Каждый вопрос содержит 5 вариантов ответа.Условие прохождения теста – не менее 52% правильных ответов.Тестовое задание 2.Тестовый модуль содержит 10 вопросов, составленных на основе лекционного модуля “ Металлы и сплавы – свойства и применение в электронной технике ”.Каждый вопрос содержит 5 вариантов ответа.Условие прохождения теста – не менее 52% правильных ответов.Тестовое задание 3.Тестовый модуль содержит 18 вопросов, составленных на основе лекционного модуля “ Полупроводниковые материалы – свойства и применение в электронной технике ”.Каждый вопрос содержит 5 вариантов ответа.Условие прохождения теста – не менее 52% правильных ответов.Тестовое задание 4.Тестовый модуль содержит 10 вопросов, составленных на основе лекционного модуля “Диэлектрические материалы”.

16

Каждый вопрос содержит 5 вариантов ответа.Условие прохождения теста – не менее 52% правильных ответов.Экзаменационное тестовое задание 5.Тестовый модуль содержит 167 вопросов, составленных на основе полного лекционного курса. Осуществляется следующая выборка вопросов:

Тема Количество вопросов

Введение в материаловедение 5

Фазовые диаграммы 13

Металлы и сплавы 10

Полупроводники 15

Диэлектрики 7

Всего 50

Каждый вопрос содержит 5 вариантов ответа.

Условие прохождения теста – не менее 52% правильных ответов.

17

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА · web viewКурс 3 Семестр 5. Экзамен - 5...

Documents