ГОУ ВПО РОССИЙСКО-АРМЯНСКИЙ (СЛАВЯНСКИЙ)

УНИВЕРСИТЕТ

Составлен в соответствии с У Т В Е Р Ж ДАЮ :

государственными требованиями к

минимуму содержания и уровню Ректор А.Р. Дарбинян

подготовки выпускников по

указанным направлениям и “_”_ 2013г.

Положением «Об УМК Д РАУ».

Институт Математики и высоких технологий Кафедра: Общей физики и квантовых наноструктур Автор(ы): к.ф.-м.н., ст. преподаватель Айрапетян Давид Борисович

У Ч Е Б Н О - М Е ТО ДИ Ч Е С К И Й К О МП Л Е К С

Дисциплина: М2.Б.4 «Физика низкоразмерных систем»

Направление: «Электроника и наноэлектроника»

210100.68 Основная образовательная программа магистратуры:

«Квантовая и оптическая электроника»

ЕРЕВАН

1. Аннотация Элементная база современной полупроводниковой микроэлектроники постепенно переходит на использование систем пониженной размерности. В этой связи чрезвычайно актуальной задачей становится изучение физических свойств низкоразмерных структур. При этом для экспериментального и теоретического изучения вышеуказанных систем используются с одной стороны технические возможности прецизионных измерений, а с другой — современные теоретические методы квантовой механики, теории поля и статистической физики. В предлагаемом курсе изучаются электронные, электрические и оптические свойства низкоразмерных систем. При этом наряду с квантовыми размерными эффектами обсуждаются также классические размерные эффекты.

Цель преподавания дисциплин:.

Целью курса является формирование представлений о физических свойствах электронных систем различной размерности, о том. как влияет понижение размерности на физические явления, и какие новые эффекты при этом появляются, а также дать теоретические основы описания свойств наноструктур квантово-механическими методами. Подготовка будущих специалистов в области микро- и наноэлектроники с необходимым багажом теоретических и прикладных знаний.

Учебная задача: Задачи курса состоят в изложении принципиальных понятий физики твердого тела для систем с пониженной размерностью и развитие основ понимания физических процессов, протекающих в этих системах при внешних воздействиях, а также изложение элементарных представлений об использовании этих явлений в современных областях техники (гетероструктурные лазеры, диоды и т. д.).

Основные методы проведения занятий, лекции, семинары.

Список литературы: содержит 5 наименований книг и монографий отечественных и зарубежных авторов, 5 научных статей; этот список поможет студентам освоить и создать свой профессиональный исследовательский инструментарий, обеспечить целостность обучения.

Краткое содержание курса: Классические размерные эффекты. Квантовые размерные эффекты. Энергетический спектр электронных состояний в системах различной размерности. Плотность электронных состояний в системах различной размерности.

Квантовые ямы различных форм. Сверхрешетки. Образование минизон. Различные аппроксимации ограничивающего потенциала квантовых ям. Модифицированный потенциал Пешля-Теллера. Модифицированный потенциал Вуда-Саксона. Двумерный электронный газ в магнитном поле. Уровни Ландау. Двумерный электронный газ в электрическом поле. Примесные состояния в квантовых ямах. Феноменологические результаты квантового эффекта Холла. Одноэлектронная теория целочисленного квантового эффекта Холла. Параболические квантовые точки и диски. Слабо сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки. Сильно сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки. Квантовые точки и линзы с покрытием. Межзонное поглощение в эллипсоидальных квантовых точках. Правила отбора. Межзонное поглощение в эллипсоидальных квантовых линзах. Правила отбора. Генерация второй гармоники в квантовых точках. Полупроводниковые приборы на квантовых точках.

2. Требования к исходным уровням знаний и умений студентов Теория поля, квантовая механика, статистическая физика, квантовая теория твердого тела.

3. Цель и задачи дисциплины Основная цель изучаемой дисциплины — ознакомление студентов с физическими явлениями, протекающими в низкоразмерных системах. Подготовка будущих специалистов в области микро и наноэлектроники с необходимым багажом теоретических и прикладных знаний и дальнейшему изучению специальной литературы по отдельным вопросам данной отрасли.

4. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения дисциплины студент должен:

1) Иметь представления о специфике физических процессов имеющих место в системах пониженной размерности.

2) Уметь интерпретировать результаты измерений, а также теоретических расчетов искомых физических характеристик различных низкоразмерных структур.

3) Иметь навыки для реализации численного моделирования физических процессов, протекающих в размерно-квантованных системах.

5. Трудоемкости дисциплины и видов учебной работы по учебному плану Всего Виды учебной работы (ак. час) Общая трудоемкость изучения дисциплины, в т.ч.: 6. Распределение весов по формам контроля Веса и формы контролей Тест Курсовая работа Лабораторные работы Эссе Веса результирующих оценок текущих контролей в итоговых оценках соответствующих промежуточных контролей Вес итоговой оценки 1-го промежуточного контроля в результирующей оценке промежуточных контролей Вес итоговой оценки 2-го промежуточного контроля в результирующей оценке промежуточных контролей Вес итоговой оценки 3-го промежуточного контроля в результирующей оценке промежуточных контролей Вес результирующей оценки промежуточных контролей в результирующей оценке итогового контроля Вес оценки экзамена/зачета контроля 7. Содержание дисциплины 7.1 Тематический план и трудоемкости аудиторных занятий

МОДУЛЬ 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В

Тема 1.4. Плотность электронных состояний в ограничивающего потенциала квантовых ям.

и Вуда-Саксона Раздел 3. Двумерный электронный газ Тема 3.2. Двумерный электронный газ в Тема 4.2. Целочисленный квантовый эффект Тема 5.2. Слабо сплюснутые (вытянутые) Тема 5.3. Сильно сплюснутые (вытянутые) Тема 5.4. Квантовые точки и линзы с покрытием Тема 6.1. Межзонное поглощение в нульмерных Тема 6.2. Генераиия второй гармоники в Тема 6.3. Полупроводниковые приборы на

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ

Введение Общие сведения о полупроводниковых наноструктурах. Их значение для фундаментальной и прикладной науки. Области применений.

Раздел 1. Низкоразмерные системы и наноструктуры Тема 1.1. Классические размерные эффекты ([5]) Тема 1.2. Квантовые размерные эффекты Квантовые размерные эффекты. Условия наблюдения квантово-размерных эффектов.

Методы формирования и примеры низкоразмерных систем и наноструктур. ([1], [2]) Тема 1.3. Энергетический спектр электронных состояний в системах различной размерности Квантовые ямы, проволоки, точки. Спектр электронных состояний в системах различной размерности (3D. 2D. ID, 0D) для электронов с параболическим законом дисперсии. ([2], Тема 1.4. Плотность электронных состояний в системах различной размерности Плотность электронных состояний в системах различной размерности (3D. 2D, ID, 0D).

Раздел 2. Квантовые ямы и сверхрешетки Тема 2.1. Квантовые ямы различных форм Волновые функции и спектр электрона в прямоугольной и треугольной яме. ([2], [3], [4]) Тема 2.2. Сверхрешетки. Образование минизон Полупроводниковые сверхрешетки. Классификация сверхрешеток. Энергетический спектр сверхрешетки. Минизоны в сверхрешетках. Модели разрывов зон. Типы сверхрешеток. Композитные, модулированные сверхрешетки. ([1], [2]]) Тема 2.3. Различные аппроксимации ограничивающего потенциала квантовых ям. Модифицированный потенциалы Пешля-Теллера и Вуда-Саксона Параболический потенциал. Потенциал Пешля-Теллера, Модифицированный потенциал Пешля-Теллера. Модифицированный потенциал Вуда-Саксона, ([ 61) Раздел 3. Двумерный электронный газ Тема 3.1. Двумерный электронный газ в магнитном поле. Уровни Ландау Двумерный электронный газ в магнитном поле. Энергетический спектр. Магнитная длина.

Кратность вырождения уровня Ландау. Плотность состояний. Осцилляции Шубникова-де Гааза.

([1], [3], [4]) Тема 3.2. Двумерный электронный газ в электрическом поле. Эффект Штарка Штарковская локализация электронов в квантовых ямах сверхрешеток в сильном электрическом поле. ([1]. |2]. [6]) Тема 3.3. Примесные состоянияв квантовых ямах Примесные состояния мелких центров в квантовых ямах. ([2],[3], [4])

КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ, МЕЖЗОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ

Раздел 4. Квантовый эффект Холла Тема 4.1. Феноменологические результаты квантового эффекта Холла Классический эффект Холла. Квантовый эффект Холла. Феноменологические результаты.

Условия наблюдения. Универсальность холловского кондактанса. ([2], [3]) Тема 4.2. Целочисленный квантовый эффект Холла. Одноэлектронная теория Целочисленный эффект Холла, одноэлектронная теория. Представление о дробном квантовом эффекте Холла. ([2], [ 3]) Раздел 5. Квантовые точки. Теорема Кона Тема 5.1. Параболические квантовые точки и диски Параболические квантовые точки и диски. Циклотронный резонанс в квантовых точках.

Теорема Кона. ([6], [7], лекции) Тема 5.2. Слабо сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки Электронные состояния в слабо сплюснутых (вытянутых) эллипсоидальных квантовых точках. ([6], лекции) Тема 5.3. Сильно сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки Электронные состояния в сильно сплюснутых (вытянутых) эллипсоидальных квантовых точках. ([6], лекции) Тема 5.4. Квантовые точки и линзы с покрытием Электронные свойства слоистых систем. Эллипсоидальные и цилиндрические квантовые точки и линзы с покрытием, (лекции) Раздел 6. Межзонное поглощение в квантовых точках Тема 6.1. Межзонное поглощение в нульмерных структурах. Правила отбора Межзонные переходы в квантовых точках и линзах, правила отбора. ([6], лекции) Тема 6.2. Генерация второй гармоники в квантовых точках Задача оптимизации генерации второй гармоники в квантовых точках. ([6], лекции) Тема 6.3. Полупроводниковые приборы на квантовых точках Начальное представление о полупроводниковых лазерах. ([1], [2], [3]) 7.3 Вопросы 1. Классические размерные эффекты.

2. Квантовые размерные эффекты.

3. Энергетический спектр электронных состояний в системах различной размерности.

4. Плотность электронных состояний в системах различной размерности 5. Квантовые ямы различных форм.

6. Сверхрешетки. Образование минизон.

7. Различные аппроксимации ограничивающего потенциала квантовых ям.

8. Модифицированный потенциал Пешля-Теллера.

9. Модифицированный потенциал Вуда-Саксона.

10. Двумерный электронный газ в магнитном поле 11. Двумерный электронный газ в электрическом поле.

12. Примесные состояния в квантовых ямах.

13. Феноменологические результаты квантового эффекта Холла 14. Целочисленный квантовый эффект Холла. Одноэлектронная теория.

15. Параболические квантовые точки и диски.

16. Слабо сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки.

17. Сильно сплюснутые (вытянутые) эллипсоидальные квантовые точки.

18. Квантовые точки и линзы с покрытием.

19. Межзонное поглощение в эллипсоидальных квантовых точках. Правила отбора.

20. Межзонное поглощение в эллипсоидальных квантовых линзах. Правила отбора.

21. Генерация второй гармоники в квантовых точках.

22. Полупроводниковые приборы на квантовых точках.

8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1. Рекомендуемая литература а) Основная литература [1] А.Я. Шик и др. Физика низкоразмерных систем. Наука, С-Пб, 2001.

[2] Казарян Э.М., Петросян С.Г. "Физические основы полупроводниковой наноэлектроники", Ер. Изд. РАУ, 2005.(на арм. яз.) [3] Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники.

Новосибирск, изд. НГТУ, 2000.

[4] Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных структур.

[5] Займан Дж., Электроны и фононы. М., 1962.

[6] Harrison P., Quantum Wells, Wires and Dots, Willey-Interscience, 2005.