《半导体物理》本科课程教学大纲(理论课)

半导体物理本科课程教学大纲课程名称：半导体物理课程编码：C开课单位：物理与电子科学学院开设学期：第四学期课程类型：专业核心类课程性质：选修总学时数：共32学时，其中讲授32学时周学时数：2适用专业：电子信息科学与技术课程学分：2先修课程：高等数学、模拟电路参考教材：刘恩科等主编半导体物理学（第七版），西安：电子工业出版社，2011一、课程的教学目标与任务本课程是高等学校电子与信息专业本科生的专业课。本课程的目标和任务是：通过本课程的学习使学生掌握半导体物理和半导体器件的基本概念和基本规律，对于基础理论，要求应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。学习过程中，注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实践的结合。近年来，半导体学科发展迅速，内容极其丰富，只靠这门18学时的课程是远远不能容纳的。希望能通过本课程的学习，使学生对半导体科学发生兴趣，以便今后进一步深入学习和研究。本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。第15章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第69章归结为半导体的接触现象；第1012章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。（限于学时，本书的第8-13章可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。二、本课程与其它课程的联系前导课程：高等数学、模拟电路。后续课程：微纳电子器件原理。三、课程内容及基本要求(一) 半导体中的电子状态 ( 4学时)（1） 半导体的晶格结构和结合性质。（2） 半导体中的电子状态和能带。（3） 半导体中电子的运动有效质量。（4） 本征半导体的导电机构空穴。（5） 回旋共振。（6） 硅和锗的能带结构。（7） III-V族化合物半导体的能带结构。（8） II-VI族化合物半导体的能带结构。（9） Si1-xGex合金的能带。（10） 宽禁带半导体材料。1.基本要求通过本章的学习，能够将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，要求掌握半导体中的电子状态（速度、加速度）；理解半导体中能级分裂概念，熟练掌握半导体中电子共有化运动以及有效质量和空穴的概念。了解硅、锗、III-V族化合物和II-VI族化合物等半导体能带结构。2.重点、难点重点：半导体中的电子运动、有效质量、空穴概念。难点：能带论的定性描述和理解；硅、锗、砷化镓能带结构。3.说明：本章学时有限，本章5、6、7、8节可以简单介绍，第9和10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求。本章在讲解硅、锗、III-V族化合物和II-VI族化合物等半导体能带结构时，必须利用多媒体教学手段，对于每一种半导体材料的能带图都要以附图的形式讲解，以便让学生直观了解其能带结构。（二）半导体中杂质和缺陷能级（3学时）（1） 硅、锗晶体中的杂质能级。 （2） III-V族化合物中的杂质能级。 （3） 氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级。（4） 缺陷、位错能级。 1.基本要求通过本章的学习，能够根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。2.重点、难点重点：杂质类型；施主杂质，施主能级，受主杂质，受主能级等概念；浅能级杂质，深能级杂质；杂质补偿作用。难点：杂质能级；杂质电离的过程。3.说明：限于学时，本章的第3节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求。(三) 半导体中载流子的统计分布( 6学时)（1） 状态密度。 （2） 费米能级和载流子的统计分布。 （3） 本征半导体的载流子浓度。 （4） 杂质半导体的载流子浓度。 （5） 一般情况下的载流子统计分布。 （6） 简并半导体。 （7） 电子占据杂质能级的概率。1.基本要求通过本章的学习，应熟练掌握课本中所阐明的基本概念和各种关系，能顺利导出有关重要基本公式，准确计算在各种不同杂质浓度和温下的费米能级位置和载流子浓度，从而对半导体性质有更深入的理解。2.重点、难点重点：波矢空间的量子态的分布；半导体导带底，价带顶附近的状态密度计算；费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及其物理意义；本征半导体，杂质半导体载流子浓度的计算。难点：半导体导带底，价带顶附近的状态密度计算；费米能级和载流子的统计分布；杂质半导体载流子浓度的计算。3.说明：限于学时，本章的第7节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求。(四) 半导体的导电性( 6学时)（1） 载流子的漂移运动和迁移率。（2） 载流子的散射。（3） 迁移率与杂质浓度和温度的关系。（4） 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系。（5） 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论。（6） 强电场下的效应、热载流子。（7） 多能谷散射、耿氏效应。1.基本要求通过本章的学习，应了解几种主要散射机构的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系，从而明确迁移率、电导率、电阻率与杂质浓度及温度的关系。最后以半导体在强电场下的效应及耿氏效应进行定性解释。2.重点、难点重点：电导率、迁移率概念及相互关系；迁移率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律；强电场效应。难点：载流子的散射机构；电导率与迁移率的关系；强电场效应；热载流子。3.说明：限于学时，本章的第5、6、7节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求。(五) 非平衡载流子( 4学时)（1） 非平衡载流子的注入与复合。 （2） 非平衡载流子的寿命。 （3） 准费米能级。 （4） 复合理论。 （5） 陷阱效应。（6） 载流子的扩散运动。 （7） 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式。 （8） 连续性方程式。 （9） 硅的少数载流子寿命与扩散长度。1.基本要求通过本章的学习，应牢固掌握非平衡载流子的产生、复合、扩散等运动规律，并对总结出来的电流密度方程和连续性方程有深入的理解和灵活应用。2.重点、难点重点：平衡载流子的产生、复合；非平衡载流子寿命；载流子的扩散和漂移运动；连续性方程运用。难点：复合理论；爱因斯坦关系；连续性方程的应用。3.说明：限于学时，本章的第2、3、4、5、6的相关内容可简单介绍，第9节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求。(六) pn结 ( 6学时)（1） pn结及其能带图。（2） pn结电流电压特性。（3） pn结电容。（4） pn结击穿。（5） pn结隧道效应。1.基本要求通过本章的学习，掌握pn结的物理特性以及能带图，掌握pn结接触电势差的计算，理解pn结的电流电压pn结电容的意义和计算，了解pn结的击穿机制和隧道效应。2.重点、难点重点：空间电荷区、pn结接触电势差、载流子分布、电流电压特性、结电容、击穿机制、隧道效应。难点：电流电压特性、结电容。3.说明：限于学时，本章的第4、5节的相关内容可简单介绍。(七) 金属和半导体的接触 ( 3学时)（1） 金属半导体接触及其能级图。（2） 金属半导体接触整流理论。（3） 欧姆接触。1.基本要求通过本章的学习，了解金属半导体接触及其能级图，了解表面态对接触势垒的影响，掌握金属和半导体的功函数和接触电势差， 掌握金属半导体接触整流和欧姆接触概念。2.重点、难点重点：金属和半导体的功函数和接触电势差。难点：金属半导体接触及其能级图。3.说明：限于学时，本章的第2、3节的相关内容可简单介绍。四、教学安排及方式总学时：32学时，其中理论教学时数32学时，实验教学时数为0学时。 教学环节教学时数课程内容讲课实验(实践)习 题 课上 机看或录参像观小 计备注半导体中电子的状态404半导体中杂质和缺陷能级303半导体中载流子的统计分布606半导体的导电性606非平衡载流子404pn结606金属和半导体的接触303五、考核方式1、考核方式：笔试（开卷）。2、成绩评定：各教学环节占总分的比例:平时测验及作业：30%，期末考试：70%六、推荐教材与参考资料1、推荐教材：刘恩