Detail předmětu

Solid State Physics

FEKT-MPA-FPFAk. rok: 2027/2028

  • Úvod do fyziky pevných látek a klasifikace pevných látek.
  • Krystalová struktura, krystalové mříže, elementární buňka a symetrie.
  • Reciproční mřížka a difrakce na krystalech.
  • Vazby v pevných látkách: iontová, kovalentní, kovová a van der Waalsova vazba.
  • Kmity krystalové mříže, fonony a tepelné vlastnosti pevných látek.
  • Elektrony v pevných látkách a model volných elektronů.
  • Pásová teorie pevných látek.
  • Kovy, polovodiče a izolanty.
  • Elektrická vodivost a transportní jevy.
  • Základy fyziky polovodičů a přechod p–n.
  • Magnetické vlastnosti pevných látek.
  • Supravodivost a vybrané moderní materiály.
  • Aplikace fyziky pevných látek v elektronice, fotonice a materiálovém inženýrství.
 

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyziky (UFYZ)

Vstupní znalosti

Předpokládají se základní znalosti obecné a moderní fyziky, zejména mechaniky, elektřiny a magnetismu, termodynamiky a základů kvantové fyziky. Student by měl ovládat základní matematické metody používané ve fyzice, především diferenciální a integrální počet, lineární algebru a práci s komplexními čísly. 

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

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

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty se základními principy fyziky pevných látek a vytvořit porozumění vztahu mezi mikroskopickou strukturou materiálů a jejich makroskopickými fyzikálními vlastnostmi. Studenti získají znalosti o krystalové struktuře, vazbách v pevných látkách, kmitání krystalové mříže, elektronových vlastnostech pevných látek a základních principech elektrických, tepelných a magnetických vlastností materiálů. Důraz je kladen na pochopení fyzikálních modelů a jejich aplikaci při popisu reálných materiálů. 

Základní literatura

Kittel, CH.: Introduction to Solid State Physics. 8th ed. Wiley, 2004, ISBN: 978-0471415268 (EN)
Seeger, K.: Semiconductor Physics. Springer Verlag, 1982, ISBN: 978-3540114215 (EN)

Doporučená literatura

Davies, J., H.: The Physics of Low-dimensional Semiconductors. Cambridge University Press, 1997, ISBN: 978-0521484916 (EN)
Kelly, M., J.: Low-dimensional Semiconductors. Clarendon Press, 1996, ISBN: 978-0198517801 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPA-NCP magisterský navazující

    obor --- , 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program MPC-EVM magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPC-MEL magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPC-NCP magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPA-CAN magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPA-SAP magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPAD-CAN magisterský navazující 0 ročník, letní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Mgr. Dinara Sobola, 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. Mgr. Dinara Sobola, 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 

Individuální příprava na závěrečnou zkoušku

30 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Osnova

Samostatné opakování a systematizace učiva probraného během semestru; studium výukových materiálů; procvičování teoretických znalostí a praktických dovedností; řešení vzorových úloh a komplexní příprava na závěrečnou zkoušku.

 

Individuální příprava na cvičení

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Osnova

Samostatné studium podkladů k tématu cvičení; příprava výpočtů, návrhů a postupů pro řešení praktických úloh; studium návodů a technické dokumentace; průběžná příprava na ověření znalostí.

 

Individuální příprava - vypracování zadaných úkolů

24 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Osnova

Samostatné řešení zadaných úkolů s využitím získaných znalostí a dovedností; studium potřebných podkladů a zdrojů; zpracování, kontrola a dokončení úkolů v požadovaném rozsahu a formě.