РУС/ENG    

Физика полупроводников

М.М. Глазов

Физика полупроводников охватывает широкий круг электрических, оптических и транспортных явлений. Полупроводниковые кристаллы и наноструктуры на их основе являются модельными объектами для исследования квантовых и релятивистских эффектов в конденсированных средах, а также обладают рядом применений в современных технологиях.

Курс посвящен изложению основ современной физики полупроводников. Акцент делается на основные фундаментальные и остроактуальные явления, включая теорию электронных зон, оптических эффектов, физику топологических изоляторов и полуметаллов, эффекты кулоновского взаимодействия, включая экситонные и коллективные эффекты, статистику носителей заряда и контактные явления, квантовую электродинамику наноструктур. Курс лекций разделен на две части, одна из них представляет основные теоретические подходы и модели в физике полупроводников, а вторая иллюстрирует развитые методы конкретными физическими эффектами.

В результате освоения курса студенты получат базовые знания по физике полупроводников, которые позволят в дальнейшем осваивать специальные дисциплины, в частности физику и технологию наносистем, оптику конденсированных сред, физику транспортных явлений, физику полупроводниковых приборов, а также навыки решения задач по физике полупроводников.

Программа

Четверг, 1 февраля (М.М.Глазов, 2 пары):

1. Напоминание: зонная теория твердых тел. Адиабатическое и одноэлектронное приближения, теорема Блоха. Понятия о микроскопических методах расчета зонной структуры (метод сильной связи, метод слабо связанных электронов, метод псевдопотенциала и т.п.).
2. Метод плавных огибающих. kp-метод теории возмущений. Метод эффективного гамильтониана. Движение электрона во внешних полях в полупроводниковом кристалле. Оператор координаты в кристалле (и аналогия с релятивистской физикой).

Четверг, 22 февраля (М.М.Глазов, 2 пары):

3. Модели зонной структуры полупроводников и полуметаллов. Спин-орбитальное взаимодействие и гамильтониан Латтинжера. Модель Кейна. Модель Берневига-Хьюза-Жанга. Модель Вейля.
4. Эффекты спин-орбитального взаимодействия в полупроводниках. g-фактор электрона. Спиновые расщепления электронных зон. Оптическая ориентация электронных спинов и эффект Ханле.
5. Эффект размерного квантования. Граничные условия в методе плавных огибающих. Нульмерные, одномерные и двумерные полупроводниковых наносистемы.

Четверг, 29 февраля (М.М.Глазов, 2 пары):

6. Поверхностные и краевые состояния в топологических изоляторах. Иллюстрация в рамках одномерной модели (Волков-Панкратов). Расчет в модели Берневига-Хьюза-Жанга.
7. Электрон-фононное взаимодействие в полупроводниках. Деформационный потенциал. Пьезоэлектрическое взаимодействие. Понятие о поляроне. Особенности фононов в двумерных и одномерных кристаллах.

Четверг, 7 марта (М.М.Глазов, 2 пары):

8. Кулоновское взаимодействие в полупроводниках. Экситоны. Обменное взаимодействие между электроном и дыркой (и аналогия с задачей о позитронии). Особенности экситонов в «сложной зоне».
9. Спиновая динамика и спиновые флуктуации. Механизмы спиновой релаксации: обзор. Механизм Дьяконова-Переля. Замедление спиновой релаксации в магнитном поле. Понятия о спиновых шумах.

Четверг, 21 марта (В.Д.Кулаковский, 2 пары):

10. Явления в контактах. Потенциальные барьеры, плотность тока, соотношение Эйнштейна, условия равновесия тел, термоэлектронная работа выхода, контактная разность потенциалов. Распределение концентрации электронов и потенциала в слое объемного заряда, длина экранирования, обогащенный и истощенный слой. Омические контакты. Выпрямление в контакте металл – полупроводник, р-n переход.

Четверг, 28 марта (В.Д.Кулаковский, 2 пары):

11. Оптические переходы в кристаллах. Прямые и непрямые переходы. Фундаментальное поглощение. Собственная и примесная фотопроводимость полупроводников. Неравновесные электроны и дырки в полупроводниках. Квантовый выход и время жизни, уравнение непрерывности.
12. Экситоны. Свободные и связанные экситоны, ионизация экситонов, экситонный вклад в поглощение, экситонные молекулы, электронные возбуждения в многодолинных полупроводниках. Магнитоэкситоны в двумерных электронных системах.

Четверг, 4 апреля (В.Д.Кулаковский, 2 пары):

13. Полупроводниковые лазеры. Усиление и генерация света в активных средах, Поглощение и усиление света в прямозонных полупроводниках. Полупроводниковые инжекционные лазеры, вертикально излучающие лазеры.
14. Экситонные поляритоны в объемных полупроводниках и полупроводниковых микрорезонаторах. Конденсация микрорезонаторных экситонных поляритонов в импульсном пространстве.

Четверг, 11 апреля (В.Д.Кулаковский, 2 пары):

15. Экситонные поляритоны. Мультистабильность резонансно возбуждаемой микрорезонаторной поляритонной системы.
16. Квантовая электродинамика твердотельного микрорезонатора с квантовой точкой. Взаимодействие одиночного атома с электромагнитным полем в оптическом резонаторе, режимы сильной и слабой связи, экситон в квантовой точке – искусственный атом, типы твердотельных оптических микрорезонаторов, однофотонная нелинейная оптика с квантовой точкой в волноводе с микрорезонатором.

Литература

Основная литература:

1. V.L. Bonch-Bruevich, S.G.Kalashnikov, Semiconductor Physics, Moscow, Nauka (1977).
2. V. B. Timofeev, Opical spectroscopy of bulk and semiconductors and nanostructures, Sankt-Peterburg, Lan’ (2015).
3. Питер Ю, Мануэль Кардона, Основы физики полупроводников, Физматлит (2002).
4. Г.Г. Зегря, В.И. Перель, Основы физики полупроводников, Физматлит (2009).
5. E.L. Ivchenko, E.G. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures: Symmetry and Optical Phenomena, Springer-Verlag (1995), 2nd ed. (1997).

Дополнительная литература:

6. L.E. Vorobev, S.N. Danilov, E.L. Ivchenko, Kinetic and optical phenomena in strong electric fields in semiconductors and nanostructures, Sankt-Peterburg, Science (2000).
7. Г.Л. Бир, Г.Е. Пикус, Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, М. Наука (1972).
8. J.H. Davies, The physics of low-dimensional semiconductos, Cambrige University Press (1998).