ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена
по специальности
01.04.04 "Физическая электроника"
по
физико-математическим и техническим наукам
Введение
Настоящая программа базируется на основополагающих разделах физической электроники: корпускулярной оптике, эмиссионной электронике, вакуумной электронике, твердотельной электронике, электронике поверхностей и пленок и функциональной электронике.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
1. Корпускулярная оптика
1.1. Законы движения заряженных частиц в статических
электрических и магнитных полях. Показатель преломления в корпускулярной оптике.
Оптический и механический подходы при решении задач корпускулярной оптики.
Законы подобия. Параксиальные пучки. Основные свойства аксиально симметричных
электростатических и магнитных полей. Теорема Буша и закон сохранения
углового момента. Теорема Лагранжа-Гельмгольца и ее следствия*.
1.2. Основные типы электростатических линз.
Тонкие линзы. Линза-диафрагма. Одиночная линза, иммерсионный объектив и
иммерсионная линза. Магнитные линзы. Расчет фокусных расстояний. Линза
Глазера. Аберрации линз.
1.3. Электронные микроскопы. Общие принципы
работы. Конструкции электронных микроскопов. Особенности электрооптических
систем. Корпускулярные микроскопы.
1.4. Динамика заряженной частицы в
переменных во времени полях; движение частиц в полях электромагнитных волн,
захват и ускорение, ускорение на биениях.
2. Эмиссионная электроника
2.1. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ). Работа выхода. Основное
уравнение ТЭЭ. Термоэмиссионный метод прямого преобразования тепловой энергии
в электрическую. Вакуумный диод с термокатодом и его вольт-амперная
характеристика.
2.2. Эмиссия под воздействием частиц. Взаимодействие
электронов подпороговых энергий с твердым телом. Упругие взаимодействия,
сечения процессов. Спектры вторичных электронов. Оже-электроны.
Электронно-стимулированная десорбция.
2.3. Взаимодействие атомных
частиц с твердым телом. Распыление. Механизмы распыления. Формула Зигмунда
для коэффициента распыления. Вторичная ионная эмиссия. Коэффициент вторичной
ионной эмиссии. Рассеяние ионов низких и средних энергий. Обратное
резерфордовское рассеяние. Ионно-электронная эмиссия. Потенциальная и
кинетическая эмиссия. Ионно-фотонная эмиссия.
2.4. Фотоэлектронная
эмиссия. Трехступенчатый механизм эмиссии.
2.5. Автоэлектронная,
экзоэлектронная и взрывная эмиссия.
3. Вакуумная электроника
3.1. Формирование электронных пучков большой плотности. Пушка
Пирса. Ограничение тока пространственным зарядом. Предельный ток
нейтрализованных пучков - ток Пирса. Устойчивость пучков в дрейфовом
пространстве, неустойчивости Пирса, диокотронная и токово-конвективная
неустойчивости, слипинг-неустойчивость.
3.2. Спонтанное и вынужденное
излучение потоков заряженных частиц. Черенковское, циклотронное (синхротронное)
и ондуляторное излучения. Нормальный и аномальный эффекты Допплера. Томсоновское
рассеяние.
3.3. Источники СВЧ-излучения, основанные на вынужденном излучении
потоков заряженных частиц: лампа бегущей волны (ЛБВ), магнетроны, гиратроны,
убитроны, виркаторы, лазеры на свободных электронах.
3.4. Релятивистские
эффекты, умножение частоты, параметрические усилители и генераторы.
3.5.
Волны пространственного заряда. Пространственная и энергетическая группировки
потоков частиц. Нелинейные механизмы насыщения излучения - захват частиц в
волнах пространственного заряда, сдвиг резонансной частоты излучения. КПД
СВЧ-источников излучения.
4. Электроника твердого тела
4.1. Физические основы электроники твердого тела. Особенности
динамики электрона в идеальном твердом теле. Волновая функция, квазиимпульс,
зоны Бриллюэна, зонный энергетический спектр, закон дисперсии. Энергетический
спектр электрона в кристалле во внешних полях (электрическом и магнитном).
Полуклассическая модель динамики электрона в кристалле, границы
применимости. Дырки как способ описания ансамбля электронов, свойства и
законы движения дырок.
Энергетический спектр электрона в
ограниченном кристалле. Условия локализации. Локализованные состояния Тамма.
Поверхностные состояния Шокли.
Особенности энергетического спектра
электронов в тонких пленках (квантовый размерный
эффект).
Типы точечных дефектов в кристаллах.
Акцепторные и донорные примеси в полупроводниках. Водородоподобная модель
примесного центра.
Неупорядоченные системы - аморфные
полупроводники. Понятие идеального аморфного твердого тела (идеального стекла).
Случайная структура и случайное поле. Энергетический спектр неупорядоченных
систем (без случайного поля и со случайным полем). Дефекты в аморфных
материалах.
Статистика носителей заряда в
полупроводниках. Обоснование применения статистики Ферми-Дирака к электронам в
твердом теле (идеальном). Статистика примесных состояний. Невырожденные и
вырожденные полупроводники. Уровень электрохимического потенциала и концентрация
свободных и связанных носителей в вырожденных полупроводниках: в собственном, с
одним типом примеси, в частично компенсированном. Явление компенсации.
4.2.
Явления переноса заряда в твердом теле.
Интеграл
столкновений. Механизмы рассеяния носителей заряда. Электропроводность
полупроводников и металлов. Электропроводность в сильных электрических полях.
Эффект Ганна. Классический и квантовый размерный эффекты в
электропроводности.
Электропроводность в неупорядоченных
системах. Прыжковая проводимость по локализованным состояниям вблизи уровня
Ферми (закон Мотта) и хвостах плотности состояний вблизи краев щели
подвижности.
4.3. Неравновесные носители заряда в полупроводниках и
диэлектриках. Генерация и рекомбинация. Механизмы
рекомбинации.
Диффузия и дрейф неравновесных носителей,
соотношение Эйнштейна. Плотность тока и градиент уровня Ферми. Уравнение
непрерывности, анализ частных случаев локального возбуждения и инжекции.
4.4.
Контактные явления. Различные типы контактов. Контакт твердое тело -
вакуум.
Контакт металл - полупроводник. Диоды Шоттки.
Диодная и диффузионная теории выпрямления.
Электронно-дырочный переход. Количественная теория инжекции и экстракции
неосновных носителей. Выпрямление и усиление с помощью p-n переходов.
Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода. Туннельный
эффект в p-n переходах.
Основные представления о
полупроводниковых гетеропереходах, их применение.
4.5. Оптические и
фотоэлектрические явления в полупроводниках.
Поглощение и
испускание света полупроводниками. Механизмы поглощения. Поглощение и
отражение электромагнитных волн свободными носителями заряда. Поглощение и
излучение при оптических переходах зона-зона. Прямые и непрямые переходы.
Разрешенные и запрещенные переходы. Спектральные характеристики поглощения
кристаллами.
Спонтанное и вынужденное излучение.
Полупроводниковые лазеры. Оптические свойства аморфных полупроводников.
Фотоэффект в p-n переходах. Солнечные батареи. Преобразование
электрических сигналов в световые.
4.6. Наноэлектроника. Квантовые ямы и
сверхрешетки. Квантовые нити и квантовые точки. Электронные состояния в
наноструктурах. Транспортные явления в низкоразмерных системах.
Оптические свойства наноструктур. Одноэлектронные явления в наноэлектронных
устройствах. Нанотехнология. Приборы наноэлектроники.
5.Физические основы электроники поверхности и пленочной электроники
5.1. Энергетическая диаграмма реальной поверхности.
Поверхностные состояния. Эффект поля и поверхностная проводимость. Влияние
адсорбированных частиц на поверхностную проводимость. Полевые
транзисторы.
5.2. Проблема микроминиатюризации элементов микроэлектроники.
Полупроводниковые, пленочные и гибридные интегральные схемы.
Фотолитография, рентгеновская и электронная литографии.
5.3.
Особенности структуры пленок, связанные с характером зарождения.
5.4.
Текстурированные и эпитаксиальные пленки. Структурные несовершенства.
5.5.
Явления переноса в тонких металлических пленках. Дисперсные пленки. Сплошные
пленки. Размерные эффекты в пленках.
5.6. Тонкие диэлектрические и
полупроводниковые пленки. Диэлектрические потери.
5.7. Токопрохождение
через диэлектрические слои. Туннелирование. Надбарьерная эмиссия электронов.
Токи, ограниченные пространственным зарядом (ТОПЗ).
5.8. Пленочные
активные элементы. Использование неравновесных (горячих) электронов в
металлических пленках. Активные элементы, основанные на использовании
характеристик с отрицательным сопротивлением. Аналоговые триоды на основе ТОПЗ в
диэлектриках. Пленочный полевой триод.
6. Методы анализа поверхности и тонких пленок
6.1. Методики определения плотности поверхностных состояний,
основанные на эффекте поля (C-V метод и метод, основанный на
изменении поверхностной проводимости).
6.2. Основы энергоанализа заряженных
частиц. Основные типы энергоанализаторов. Методы регистрации частиц. Вторичный
электронный умножитель. Детекторы для быстрых частиц (поверхностно-барьерный
детектор).
6.3. Дифракция медленных и быстрых электронов (на просвет и
отражение) как методы исследования структуры поверхности.
6.4. Электронная
Оже-спектроскопия. Основное уравнение. Методы количественной
Оже-спектроскопии.
6.5. Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС и УФЭС).
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС или ЭСХА - электронная
спектроскопия для химического анализа) и конструкции приборов. Химические сдвиги
уровней. Количественная РФЭС.
6.6. Спектроскопия характеристических потерь
энергии (СХПЭЭ). Конструкции приборов. Одночастичные и многочастичные
возбуждения электронов в твердом теле. Количественная СХПЭЭ.
6.7. Растровая
электронная микроскопия. Режимы работы. Особенности формирования контраста.
Рентгеновский микроанализ. Конструкции растровых электронных микроскопов и
микроанализаторов.
6.8. Туннельная и атомно-силовая микроскопия. Физические
основы. Конструкция микроскопов. Применения.
6.9. Методы ионной
спектроскопии. Масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ). Стигматический
и растровый режим МСВИ. Ионно-нейтрализационная спектроскопия. Обратное
резерфордовское рассеяние. Спектроскопия рассеяния ионов низких и средних
энергий.
7. Функциональная электроника
7.1. Магнетоэлектроника. Цилиндричеcкие магнитные домены.
Магнитные запоминающие устройства: на ферритах и на тонких пленках.
7.2.
Акустоэлектроника: взаимодействие электронов с длинно-волновыми акустическими
колебаниями решетки, акустоэлектрический эффект, усиление ультразвуковых волн.
Акустоэлектрические явления на поверхностных волнах и их практические применения
- малогабаритные линии задержки, усилители и генераторы электрических
колебаний.
7.3. Молекулярная электроника. Основные принципы молекулярной
электроники. Электронные возбуждения, используемые для передачи и хранения
информации в молекулярных системах. Перспективы одномерных и квазиодномерных
систем, структурная неустойчивость одномерных проводников, переходы Пайерлса и
Мотта-Хаббарда. Электронные возбуждения в одномерных системах, солитонная
проводимость. Фотопроводимость, нелинейные оптические свойства.
Молекулярные полупроводники - полиацетилен и полидиацетилен: структура,
свойства, легирование. Приборы молекулярной электроники.
7. 4.
Криоэлектроника. Электронные свойства твердых тел (металлы, диэлектрики,
полупроводники) при низких температурах. Явление сверхпроводимости. Эффект
Мейснера. Особенности туннелирования в условиях
сверхпроводимости.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
Свойства и параметры сверхпроводников с высокой Tk
.
Макроскопические квантовые эффекты сверхпроводимости.
Квантование магнитного потока. Эффект Джозефсона. Типы джозефсоновских
переходов. Аналоговые устройства на эффектах Джозефсона. Стандарты напряжения,
сквиды, приемные СВЧ-устройства.
Цифровые ячейки логики и
памяти. Проблемы создания больших интегральных схем (БИС). Особенности
электронных устройств на высокотемпературных сверхпроводниках.
Основная литература
- Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика, Л.: Наука 1968.
- Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Дж. Голдстейн и др. Кн. 1, 2. М.: Мир, 1984.
- Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.: Мир, 1985.
- Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1985.
- Добрецов Л.Н., Гомаюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966.
- Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М.: Мир, 1984.
- Физика сильноточных релятивистских электронных пучков / А.А. Рухадзе и др. М.: Атомиздат, 1980.
- Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. М.: Мир, 1987.
- Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Вынужденное излучение сильноточных релятивистских электронных пучков // УФН. 1987. Т. 152. Вып. 2.
- Епифанов Е.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. М.: Высш. шк., 1986.
- Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной электроники. М.: Изд-во МГУ, 1986.
- Аморфные полупроводники / Под ред. М. Бродски. М.: Мир, 1982.
- Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. М.: Мир, 1972.
- Палатник Л.С., Папиров И.И. Эпитаксиальные пленки. М.: Наука, 1971.
- Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973.
- Методы анализа поверхности. Под ред. А. Зандерны. М.: Мир, 1979. Гл. 3 - 5.
- Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука, 1978.
- Электронная и ионная спектроскопия твердого тела / Под ред. Л. Фирменса. М.: Мир, 1981.
- Анализ поверхности методами Оже и РФЭС / Под ред. А. Бригса, М.В. Сиха. М.: Мир, 1987.
- Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия - от рождения к юности // УФН. 1988. Т.154, вып.
- Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ВЭА. М.: Сов. радио, 1979.
- Ван Дузер Т., Тренер Ч.У. Физические основы сверхпроводящих устройств и цепей. М.: Радио и связь, 1984.
- Гинзбург В.Л. Сверхпроводимость позавчера, вчера, сегодня, завтра // УФН. 2000. Т. 170.
- Максомов Е.Г. Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // УФН. 2000. Т. 170.
- Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводимости. М., 2000.