《半导体物理学》课程实施大纲

1、半导体物理学课程实施大纲目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc423043747 1.教学理念 PAGEREF _Toc423043747 h 1 HYPERLINK l _Toc423043752 2.课程描述2 HYPERLINK l _Toc423043753 2.1课程的性质2 HYPERLINK l _Toc423043754 2.2课程在学科专业结构中的地位、作用2 HYPERLINK l _Toc423043755 2.3课程的历史与文化传统2 HYPERLINK l _Toc423043756 2.4课程的前沿及发展趋势4 HYPERLINK

2、l _Toc423043756 2.5课程与经济社会发展的关系4 HYPERLINK l _Toc423043756 2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题5 HYPERLINK l _Toc423043756 2.7学习本课程的必要性5 HYPERLINK l _Toc423043757 3.教师简介5 HYPERLINK l _Toc423043758 3.1教师的职称、学历5 HYPERLINK l _Toc423043759 3.2教育背景5 HYPERLINK l _Toc423043760 3.3研究兴趣（方向）5 HYPERLINK l _Toc423043761 4.先修课程

3、5 HYPERLINK l _Toc423043762 5.课程目标5 HYPERLINK l _Toc423043763 6.课程内容6 HYPERLINK l _Toc423043764 7.课程实施.9 HYPERLINK l _Toc423043765 7.1教学单元一9 HYPERLINK l _Toc423043766 7.2教学单元二 PAGEREF _Toc423043766 h 12 HYPERLINK l _Toc423043767 7.3教学单元三14 HYPERLINK l _Toc423043768 7.4教学单元四16 HYPERLINK l _Toc4230437

4、69 7.5教学单元五19 HYPERLINK l _Toc423043770 7.6教学单元六22 HYPERLINK l _Toc423043771 7.7教学单元七25 HYPERLINK l _Toc423043772 7.8教学单元八26 HYPERLINK l _Toc423043773 7.9教学单元九29 HYPERLINK l _Toc423043774 7.10教学单元十31 HYPERLINK l _Toc423043775 7.11教学单元十一33 HYPERLINK l _Toc423043776 7.12教学单元十二35 HYPERLINK l _Toc423043

5、777 7.13教学单元十三37 HYPERLINK l _Toc423043778 7.14教学单元十四39 HYPERLINK l _Toc423043779 7.15教学单元十五41 HYPERLINK l _Toc423043780 7.16教学单元十六42 HYPERLINK l _Toc423043781 7.17教学单元十七43 HYPERLINK l _Toc423043782 7.18教学单元十八45 HYPERLINK l _Toc423043783 7.19教学单元十九48 HYPERLINK l _Toc423043784 7.20教学单元二十49 HYPERLINK

6、l _Toc423043785 7.21教学单元二十一53 HYPERLINK l _Toc423043786 7.22教学单元二十二55 HYPERLINK l _Toc423043787 7.23教学单元二十三57 HYPERLINK l _Toc423043788 7.24教学单元二十四63 HYPERLINK l _Toc423043795 8.课程要求67 HYPERLINK l _Toc423043796 9.课程考核68 HYPERLINK l _Toc423043797 9.1出勤（迟到、早退等）、作业、报告等的要求68 HYPERLINK l _Toc423043798 9.

7、2成绩的构成与评分规则说明68 HYPERLINK l _Toc423043799 9.3考试形式及说明68 HYPERLINK l _Toc423043800 10.学术诚信68 HYPERLINK l _Toc423043801 11.课堂规范69 HYPERLINK l _Toc423043802 12.课程资源69 HYPERLINK l _Toc423043803 13.教学合约70 HYPERLINK l _Toc423043803 14.其他说明72 半导体物理学课程实施大纲1教学理念大学教育不同于中小学教育，它的教学理念也有所不同。为了适应现在的社会大环境，结合我校的新的改革措

8、施，我将在以后的教学中秉承如下教学理念：1、在教学过程中坚持“以学生为中心，教师为主体”的教学理念。2、采用“换位思考”的教学理念。 3、采用“承上启下”的教学理念。 教学过程中力求从以下两方面来实施上述教学理念： 1、实施互动式、反馈式教学，培养学生探究性学习能力。2、发挥专业实验优势，开展学生工程实践和知识应用能力培养。课程实施主要采用讲授法引导法、 提问法、 对比法、 归纳法以及案例分析法等多种教学方法，同时结合教师自身的研究， 以基于研究的学习亦作为教学方法的重要方面，充分调动学生的学习热情，使学生通过积极的思维、操作、演练，主动地获取知识，确保学生学有所得。在上课形式上，运用多媒体教

9、学手段，方便对新近前沿研究领域、成果的介绍，以实现良好的教学效果。整个教学实施过程中， 我将秉承以下的教学风格：（1）公平对待每一位学生。（2）积极结合工厂实际生产来讲解理论知识，力争使繁琐得理论知识简单化。（3）积极引导学生的主动学习。本课程是理论教学与实践教学相结合，注重培养学生理论联系实际的能力、科学研究的思想方法、创新能力以及工程实践能力等。为毕业生从事微电子、光电子、电子材料及其相关学科的科学研究、工程设计奠定扎实的理论与实践基础。2课程介绍2.1课程的性质半导体物理学是应用物理学专业的重要专业基础课。本课程主要揭示半导体主要基本性质，探讨半导体在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程

10、、规律以及相关应用，并通过实验加深对半导体物理理论的理解，掌握半导体的基本原理和测量技术，为后续课程的学习和将来的工作打下基础。通过本课程的学习，使学生熟练掌握半导体的相关基础理论和半导体的表面和界面知识，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律，为后续课程半导体器件物理、微电子工艺原理和集成电路分析与设计等课程的学习打好基础。课程主要内容有：半导体中的电子状态、半导体中的杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子、金属和半导体的接触、半导体MIS结构。2.2课程在学科专业结构中的地位、作用半导体物理是微电子学专业的重要专业基础课。本课程主要介绍半导体的基本物理性质，

11、探讨半导体在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及相关应用，课程主要内容包括半导体中的电子状态、半导体中的杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子、金属和半导体的接触、半导体MIS结构以及半导体的光、电、磁、热等效应和应用。通过对本课程的学习，了解和掌握半导体内部载流子的基本运动规律，掌握半导体物理特性的计算方法；了解基本半导体器件的工作原理和特性，为后续课程半导体器件的学习和今后的专业研究打下必要的基础。2.3课程的历史与文化传统本课程起源于上个世纪，半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各种半导体器件的发明，对现代信息技术革命起了至关重要的作用，引发了一场新

12、的全球性产业革命。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，信息化水平已成为衡量一个国家和地区现代化的重要标志。半导体材料代表性的发展阶段主要：晶体管的发明：1945年二次大战结束时，美国贝尔实验室总裁巴克莱为了适应该室从战时转向和平时期的工作需要，决定成立固体物理组，由肖克莱负责半导体物理小组，成员有巴丁、布拉顿、吉布尼、穆尔等人。肖克莱和巴丁是理论物理学家，布拉顿是实验物理学家，吉布尼是物理化学家，穆尔是电路学家，这种专业人才的搭配对于半导体物理研究和晶体管的发明是个黄金搭配，精干而高效。他们根据各自在30年代中期以后的经验和后来的考虑，从刚开始成立时，就把重点放在半导体材料硅和锗的研究上。

13、第二次世界大战期间，英国用雷达侦察到了德国的轰炸机。雷达的核心就是真空电子管，它能够将微弱电流放大。肖克莱早在1939年就准备制作能够将电流放大的固体器件，以便取代真空电子管。1947年12月，巴丁和布拉顿制成了世界上第一个锗点接触型三极管，具有电流放大作用。巴丁和布拉顿的结果在1948年6月发表。点接触晶体管的发明虽然揭开了晶体管大发展的序幕，但由于它的结构复杂，性能差，体积大和难以制造等缺点，没有得到工业界的推广和应用，在社会上引起的反响不够强烈。1948年1月肖克莱在自己研究p-n结理论的基础上发明了另一种面结型晶体管，并于1948年6月取得了专利。面结型晶体管又称场效应晶体管，它是平面

14、状的，可以通过一些平面工艺（如扩散、掩膜等）进行大规模生产。因此只有在面结型晶体管发明以后，晶体管的优越性才很好地被人认识，逐渐取代了真空电子管。由于巴丁、布拉顿和肖克莱在晶体管和结型晶体管发明上的贡献，在1956年获得了诺贝尔物理奖。作为半导体晶体管的第一个应用就是索尼公司的便携式收音机，风靡全球，赚了大钱。集成电路的发明：晶体管收音机比电子管收音机小多了，可以随身携带。但它是由晶体管、电阻、电容、磁性天线焊在一块电路板上，相互之间由导线相连。体积还比较大，装配工艺复杂。1958年美国政府设立了晶体管电路小型化基金，以便适应美国为赶超前苏联发射的第一颗人造卫星的需要。那时，德克萨斯公司的基尔

15、比承担了这一任务，试图制造将晶体管、电阻器和电容器等包装在一起的小型化电路。1958年9月基尔比制成了世界上第一个集成电路振荡器，这一切都记载在他当天的笔记中。基尔比发明的集成电路在1959年2月取得了专利权，名称为“小型化电子电路”。与此同时，美国加州菲切尔德（仙童）半导体公司的诺伊斯提出了用铝连接晶体管的想法。在基尔比发明集成电路5个月以后，即1959年2月，他采用霍尔尼提出的平面晶体管方法，在整个硅片上生成SiO2掩膜，应用光刻技术按模板刻成窗口和引线通路，通过窗口扩散杂质，构成基极、发射极和集电极，将金或铝蒸发，因而制成集成电路。1959年7月诺伊斯的集成电路取得了专利权，名称为“半导

16、体器件与引线结构”。从此集成电路走上了大规模发展的新时期。太阳能电池的发明：为了人造卫星的需要，1954年皮尔森和富勒利用磷和硼的扩散技术制成了大面积的硅p-n结太阳能电池，光电转换效率达6%以上，超过了过去最好的太阳能转换效率的15倍。它的制作成本低廉，可以批量生产，因此很快得到了大规模的应用。太阳能电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在半导体上时，在半导体中产生电子空穴对。如果接通外电路，就会有电流通过，这就是光生伏特效应。太阳能电池的商业应用开始于1958年，它被选用为美国第一个人造卫星Vanguard I的无线电发射机的电源。当前能源危机下，太阳能电池作为一种再生和无污染电源引起了人

17、们极大的注意。半导体激光器的发明：半导体发光管和激光器的工作原理和太阳能电池正好相反：太阳能电池是用光产生电，而发光管、激光器则用电产生光。用电流将电子和空穴分别引入半导体的导带和价带。电子和空穴复合，产生光子。1962年美国霍尔用p-n同质结制成了第一个半导体激光器。产生激光必须满足3个条件：粒子数的反转分布、谐振腔和电流超过一定阈值。1963年美国的克勒默和苏联的阿尔费罗夫各自独立地制成了异质结激光器，结区用一种禁带宽度小的材料，如GaAs；两边的p区和n区用另一种禁带宽度大的材料，如AlxGa1-xAs。这样，发光区域被限制在窄小结区中。因此提高了发光效率，降低了激光器的阈值电流。197

18、0年苏联的约飞研究所和美国的贝尔实验室分别制成了室温下连续工作的双异质结激光器，从而使半导体激光器在光通信中得到了广泛的应用。由于克勒默和阿尔费罗夫在发展半导体激光器方面的重要贡献，他们在2000年和集成电路发明者基尔比一起获得了诺贝尔物理奖。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明使得世界进入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代，促进了社会和经济的发展。分子束外延技术的发明：制造双异质结激光器的一个关键技术是分子束外延。1968年贝尔实验室的卓以和发现，在超高真空容器中通过精细控制束流的大小和时间，能够按照需要生长不同层数、不同种类的半导体材料，因而发明了分子束外延技术。装置内部处于超高真

19、空条件下（10-10torr），蒸发炉内装有原材料元素（如Ga、As、Al等）的源。前面是可以控制的挡板，打开挡板，将被蒸发的源原子直射至加热的衬底上进行外延生长。2.4课程的前沿及发展趋势半导体物理是固体物理的一个主要组成部分和凝聚态物理的一个活跃分支,同时也是发展半导体科学技术的重要物理基础。半导体物理研究有如下几个大方面的发展： 1.半导体物理研究与材料、器件和工艺相结合，极大地促进了半导体科学技术的发展。半个多世纪以来,半导体与微电子技术将材料、物理、器件与工艺融为一体,四者相互促进与影响，成为完美体现当代科学技术发展的一个极好范例。 2.半导体物理研究与低维物理、介观物理和无序体系物

20、理等研究相结合，进一步繁荣了凝聚态物理的发展。半导体超晶格、量子阱、量子线、量子点、纳米团簇、光子晶体以及自旋电子学等为主的低维物理则为凝聚态物理的研究注入了巨大活力。3.半导体物理研究与化学、表面科学、超高真空技术与超低温技术相结合，有力地刺激了其它相关学科领域的发展。反过来说,半导体物理研究的进展也离不开这些相关学科的紧密配合.如有机半导体的研究是由物理学家与化学家共同携手展开的,纳米半导体的研究离不开以扫描隧道显微镜为主的先进表面分析技术的支持,而量子霍耳效应和分数量子霍耳效应则是在超低温和强磁场条件下实现的,超晶格与量子阱则是以分子束外延等为主的先进超薄层外延技术制备的.显而易见,学科

21、的相互交叉与渗透已经成为现代科学技术发展中的一个主旋律。 4.半导体物理各个领域在半个多世纪的发展中都取得了非凡成就。2.5课程与经济社会发展的关系进入21世纪，全世界都在加快信息化建设步伐。源于信息技术革命的需要，半导体物理、材料、器件将有新的更快的发展。集成电路的尺寸将越来越小，将出现新的量子效应器件；宽禁带半导体代表了一个新的方向，将在短波长激光器、白光发光管、高频大功率器件等方面有广阔的应用；纳米电子器件有可能作为下一代的半导体微电子和光电子器件；利用单电子、单光子和自旋器件作为量子调控，将在量子计算和量子通信的实用化中起关键作用。2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题 教学过程和科

22、学研究鼓励自由探索，但却不能没有科学伦理的规范。从事学习和做科学研究的人一定要守住伦理道德底线，绝对不能为了某些私利而危害人类健康和公共安全。如果研究的成果是为人类所用，至少应遵守两点：一是学习和研究本身不能弄虚作假；二是成果的使用不能危害人类和自然生态。于此，在半导体物理学的学习和研究过程中师生务必恪守以上两个基本原则，坚决杜绝任何触及上述两基本原则的行为和思想。2.7学习本课程的必要性本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集

23、成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础3教师简介4先修课程固体物理、量子力学、材料物理模拟电子电路、统计物理5课程目标5.1知识与技能方面培养学生掌握半导体中的电子状态； 半导体中杂质和缺陷能级； K 空间中量子态的分布； 状态密度； 半导体中电子漂移速度和迁移率；半导体的电导率和迁移率； 载流子散射概念； 半导体重要的散射机构； 非平衡载流子；PN 结形成；半导体表面与 MIS 结构。培养学生具备分析半导体中电子与空穴的状态的能力、掌握 PN 结异质结，金属与半导体接触的基本理论。让学生了解半导体物理学的发展历史，培养学生掌握半导体物理课程的基础理论知识和基本技能

24、，初步养成光电子行业的工程素质。5.2过程与方法方面1. 教学方法讲授法、 课堂讨论法。2. 教学手段板书结合多媒体。5.3情感、态度与价值观方面6课程内容6.1课程的内容概要第1章 半导体中的电子状态 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中电子的运动 有效质量1.4 本征半导体的导电机构 空穴 1.5 回旋共振 1.6 硅和锗的能带结构 1.7 -族化合物半导体的能带结构 本章基本要求：理解晶体结构、电子运动与能带的关系，了解常见半导体能带的特点及与性能的关系。第2章 半导体中杂质和缺陷能级 本章基本要求：理解各种杂质和缺陷的能带位置以及对于半

25、导体物理性质的重要影响。第3章 半导体中载流子的统计分布 3.1 状态密度 3.2 费米能级和载流子的统计分布 3.3 本征半导体的载流子浓度3.4 杂质半导体的载流子浓度 3.5 一般情况下的载流子统计分布 3.6 简并半导体本章基本要求：了解费米能级的物理意义和作用，掌握非简并半导体中费米能级位置与载流子浓度的关系。掌握本征半导体和杂质半导体中载流子浓度的计算方法和分布特征。第4章 半导体的导电性 4.1 载流子的漂移运动 迁移率 4.2 载流子的散射 4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 本章基本要求：了解半导体中的主要散射机制和电导率的主要影响因

26、素，掌握半导体电导率的计算方法及与杂质浓度和温度的关系，了解强场效应和耿氏效应。第5章 非平衡载流子 5.1 非平衡载流子的注入与复合 5.2 非平衡载流子的寿命5.3 准费米能级5.4 复合理论 5.5 陷阱效应5.6 载流子的扩散运动 5.7 载流子的漂移运动 爱因斯坦关系式 5.8 连续性方程式本章基本要求：了解准费米能级的物理意义和作用，掌握非平衡状态下载流子的运动规律，尤其是连续性方程式的意义和应用。第6章 p-n结 6.1 p-n结及其能带图 6.2 p-n结电流电压特性6.3 p-n结电容 6.4 p-n结击穿 6.5 p-n结隧道效应本章基本要求：了解pn结的物理特性以及能带图

27、，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第7章 金属和半导体的接触 7.1金属半导体接触及其能级图7.2金属半导体接触整流理论7.3少数载流子的注入和欧姆接触本章基本要求：了解金属半导体接触的物理特性和能带图，掌握金属半导体接触电势差的计算，了解金属半导体接触整流理论，掌握欧姆接触的形成条件。理解肖特基势垒二极管的工作原理以及与pn结二极管的异同第8章 半导体表面与MIS结构 8.1 表面态 8.2 表面电场效应 8.3 MIS结构的电容-电压特性8.4 硅-二氧化硅系统的性质 8.5 表面电导及迁移率 本章基本要求：了解表面态的

28、形成机制和表面电场效应、掌握表面势和表面电导的计算方法，理解MIS结构的电容-电压特性，了解表面电场对pn结特性的影响。第9章 异质结 9.1半导体异质结及其能带图 9.2 半导体异质pn结电流电压特性 9.3半导体异质结量子阱、电子能态本章基本要求：了解异质结的形成和能带图、掌握异质结接触表面势、势垒电容和势垒区宽 度的计算方法，了解异质结电流电压特性及注入特性， 理解量子阱、超晶格的物理意义和作用，了解应变异质结的形成方法和意义， 了解半导体异质结激光器的工作原理和特点。6.2教学重点、难点重点：晶体结构、能带、有效质量；杂质种类、缺陷种类；状态密度、统计分布、费米能级、载流子浓度；电导率

29、、漂移速度、迁移率、散射机制、平均自由时间、散射概率；准费米能级、陷阱效应、注入与复合、扩散与漂移、爱因斯坦关系式、连续性方程式；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；功函数、金属半导体接触电势差、肖特基势垒、扩散理论、欧姆接触；表面态、表面势、MIS结构、电容-电压特性、表面电导、硅-二氧化硅系统；异质结、能带图、接触电势差、电流电压特性、应变异质结、量子阱、超晶格；直接跃迁、间接跃迁、本征吸收、光电导、电致发光、光生伏特效应、pn结激光原理；塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、温差电动势率、热导率；霍尔效应、磁阻效应、磁光效应、量子化霍尔效应、

30、热磁效应、光生伏特效应、压阻效应。难点：能带与有效质量；缺陷与位错；费米能级与载流子浓度；电导率与散射机制的关系；准费米能级、连续性方程式；电流电压特性、结电容；肖特基势垒；电容-电压特性、表面电导；异质结电流-电压特性及注入特性；光电导的驰豫、发光光谱和发光效率；温差电动势率；量子化霍尔效应。6.3学时安排教学内容和学时安排序号章目名称学时分配序号章目名称学时分配讲授实验讲授实验1第一章 半导体中的电子状态68第八章 半导体表面与MIS62第二章 半导体中的杂质和缺陷29第九章 半导体异质结构23第三章 半导体中载流子的统计610总结与复习24第四章 半导体的导电性6115第五章 非平衡载流

31、子812 6第六章 pn结6 7第七章 金属和半导体的接触47.课程实施7.1教学单元一学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修1/22016-2017 /2教学目标：半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点教学内容：知识点： 1、常见半导体的3种晶体结构 2、常见半导体的2种化合键 3、电子的共有化运动，.导带、价带、禁带的形成 4、周期性波函数 5、导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异重点：晶体结构、能带教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）1. 金刚石型结构和共价键重要的半

32、导体材料Si、Ge都属于金刚石型结构。这种结构的特点是：每个原子周围都有四个最近邻的原子，与它形成四个共价键，组成一个如图1（a）所示的正四面体结构，其配位数为4。 金刚石型结构的结晶学原胞，是立方对称的晶胞如图1（b）图所示。它是由两个相同原子的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。其固体物理学原胞和面心立方晶格的取法相同，但前者含两个原子，后者只含一个原子。原子间通过共价键结合。共价键的特点：饱和性、方向性。2. 闪锌矿结构和混合键 = 3 * ROMAN III- = 5 *

33、 ROMAN V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构。闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。每个原子被四个异族原子包围。两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定的离子键成分，但共价键结合占优势。 在垂直于111方向，闪锌矿结构是由一系列 = 3 * ROMAN III族原子层和 = 5 * ROMAN V族原子层构成的双原子层堆积起来的。3. 纤锌矿型结构纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近，它也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，图2为纤锌矿型结构示意图，它是由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积

34、而成。两类原子的结合为混合键，但离子键结合占优势。4.原子的能级和晶体的能带电子共有化运动：由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再局限在某一个原子上而在整个晶体中的相似壳层间运动，引起相应的共有化运动。能级的分裂：n个原子尚未结合成晶体时，每个能级都是n度简并的，当它们靠近结合成晶体后，每个电子都受到周围原子势场的作用，每个n度简并的能级都分裂成n个彼此相距很近的能级。允带、禁带的形成：同一能级分裂的n个彼此相近的能级组成一个能带，称为允带，允带之间因没有允许能级，称为禁带。5. 半导体中的电子的状态和能带 自由电子具有波粒二象性，遵守定态薛定谔方程； （1-1） （1-2） （1-

35、3） 晶体中的电子运动的波函数 （1-4）其中是与晶格周期相同的周期性函数，即uk(x)= uk(x+na) （1-5）所以周期性变化，说明电子可以移动到其它晶胞的对应点，这就是共有化运动。不同k标志着不同的共有化运动。3.布里渊区与能带能量不连续，形成一系列的允带和禁带。允带出现在布里渊区中，禁带出现在处，即布里渊区边界上。能量是k的周期函数：。6.导体、半导体、绝缘体的能带部分占满的能带，如金属的价电子能带，才能导电。半导体禁带宽度较小，价带少量电子获得外界能量脱离共价键跃迁到导带，形成导带导电的电子，并在价带产生导带空穴，这个过程就是本征激发。绝缘体由于禁带较大，价带电子跃迁困难，所以导

36、电性差。导带价带导带价带半满带价带禁带禁带禁带 (a) 绝缘体 (b) 半导体 (c)导体课堂提问：作业和课后反思：参考资料：P1-10 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P-P1作业安排：刘恩科半导体物理学，复习相关内容7.2教学单元二学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修2/22016-2017 /2教学目标：了解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念教学内容教学内容：知识点： 1、有效质量的意义和计算 2、半导体平均速度和加速度 3、本征半导体的导电机构 4、空穴的特点重点：有

37、效质量难点：有效质量教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）有效质量：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及内部作用而直接应用牛顿第二定律。设能带底位于处，将在附近按二阶泰勒级数展开，得： （1-6）令 （1-7）其中 为能带底附近电子的有效质量。可见，能带底是正值。同样可得，能带顶附近电子的有效质量，它是负值。电子的平均速度电子速度与能量的关系： （1-8）能带极值附近，电子速度，能带底附近电子的速度与波矢符号相同，能带顶附近电子的速度与波矢符号相反。-曲线如下图。电子的加速度由于，电子在外力作用下，波矢不断改变，其

38、变化率与外力成正比； 引进电子有效质量后，半导体中电子所受的外力与加速度的关系可以采用和牛顿第二运动定律类似的形式 （1-8）因而，在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律，可不涉及内部势场的作用，这就使问题简化。 4.导带电子和价带空穴同时参与导电，这正是半导体同金属的导电机构的最大差异。本征半导体的导电机构：导带电子和等量的价带空穴同时参与导电。空穴是一种准粒子，是价带中空着的状态的假想的粒子，具有如下特点：一个空穴带有一个单位的+q电荷；空穴也有有效质量；外场作用下，空穴状态的变化规律和电子的相同 ；空穴的加速度为。 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P7-P22作业安排：刘恩科半导

39、体物理学，复习相关内容7.3教学单元三学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修3/22016-2017 /2教学目标：教学目标：介绍Si、Ge和GaAs的能带结构教学内容：知识点： 1、介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法 2、硅和锗的导带结构 3、硅和锗的价带结构 4、GaAs的能带结构重点：GaAs的能带结构难点：回旋共振教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）1. 硅和锗的导带结构硅的导带底附近等能面为沿方向的6个旋转椭球面（左图）；锗的导带底附近等能面为沿方向的8个旋转椭球面（右图）。所以沿椭球面两短轴的有效质量

40、相等，分别称为横向有效质量和纵向有效质量，用mt和ml表示，。2.硅和锗的价带结构考虑自旋轨道耦合，硅、锗的价带能带分为三支，有两支在极大值k=0处重合，第三支与前两支相隔较远，一般不考虑。前两支对应于重空穴和轻空穴，分别用(mp)l和(mp)h表示。Pp23 图1-263. GaAs是直接带隙半导体，电子跃迁k不变。 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P22-P43作业安排：刘恩科半导体物理学，复习相关内容，P43，习题：1，4。7.4教学单元四学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修4/22016-2017 /2教学目标：介绍硅、锗

41、中的浅能级和深能级杂质以及和杂质能级，浅能级杂质电离能的计算，介绍了杂质补偿作用。介绍 = 3 * ROMAN III- = 5 * ROMAN V族化合物中的杂质能级，引入等电子陷阱、等电子络合物以及两性杂质的概念教学内容：知识点： 1、浅能级杂质能级和杂质电离 2、浅能级杂质电离能的计算 3、杂质补偿作用 4、深能级杂质的特点和作用 5、等电子杂质 6、点缺陷 7、位错重点：杂质种类、缺陷种类难点：缺陷与位错教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）绪：第一章习题处理1、杂质杂质原子进入半导体以后，位于晶格间隙位置或取代晶格原子，前者称为间隙式杂质，其原子半径较小，后者称

42、为替位式杂质，要求杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近并且价电子壳层结构比较相近。 = 3 * ROMAN III、 = 5 * ROMAN V族杂质在硅、锗晶体中可处于束缚态和电离后的离化态，其电离能很小，引入的是浅能级，这些杂质称为浅能级杂质。 = 5 * ROMAN V族杂质在硅、锗作为施主，电离后提供导电电子并形成难以移动的正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。该类半导体主要依靠导带电子导电，称为n型半导体。+EvEc图2-1 杂质能级和杂质电离(a) 施主能级和施主电离(b) 受主能级和受主电离 = 3 * ROMAN III族杂质在硅、锗作为受主，电离后提供可以自由运动的

43、导电空穴，同时也就形成一个不可移动的负电中心，称 = 3 * ROMAN III族杂质为受主杂质。主要依靠价带空穴导电的半导体称为p型半导体。杂质补偿作用：施主杂质和受主杂质之间相互抵消。图2-2 杂质的补偿作用EvEc，半导体是n型的；，半导体是p型的；，高度补偿，杂质很多，性能很差。浅能级杂质电离能的计算，用氢原子模型估算： (2-1) (2-2)深能级杂质：其杂质电离能较大。深能级杂质的特点：杂质能级深；主要以替位式存在；杂质在禁带中引入多个能级；有的属于两性杂质。如替代同一原子，则施主总在受主下方；深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。深能级杂质一般含

44、量极少，对半导体的载流子浓度、能带和导电类型影响不及浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用较强，常称这类杂质为复合中心。制造高速开关器件时，有意掺入金以提高器件速度杂质可取代族，也可取代族；同一杂质可形成不同的掺杂类型。杂质原子周围可以是4个族或族原子。等电子杂质：某些 = 3 * ROMAN III- = 5 * ROMAN V族化合物中掺入某些 = 3 * ROMAN III、 = 5 * ROMAN V族元素杂质时，杂质取代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它与被取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。族元素起两性杂质作用：双性

45、杂质：既可起施主作用，又能起受主杂质作用。 如GaAs中Si，但Si总效果为施主杂质。2、缺陷点缺陷：热缺陷：弗仑克耳缺陷，成对出现间隙原子和空位；肖脱基缺陷，只有空位没有间隙原子。硅、锗晶体中，空位表现为受主，间隙原子表现为施主。热振动和成分偏离正常化学比均会形成点缺陷。离子晶体中正离子空位以及电负性大的原子为间隙原子时，是受主；负离子空位以及电负性小的原子为间隙原子时，是施主。位错：一种线缺陷。位错线上的原子有一个不成对的电子，失去该电子成为正电中心，起施主作用；俘获一个电子，成为正电中心，起受主作用。棱位错周围，晶格畸变，禁带发生变化。 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P45-P6

46、5作业安排：刘恩科半导体物理学；复习相关内容，P64，习题：1，3，5，7。7.5教学单元五学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修5/22016-2017 /2教学目标：引入状态密度的概念，介绍状态密度计算。引入费米能级的概念，介绍了载流子的两种统计分布函数，推导出平衡状态下电子和空穴浓度的表达式，进而给出平衡状态下载流子浓度的乘积教学内容：知识点： 1、状态密度的概念及计算 2、费米能级及载流子的统计分布函数 3、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的表达式即适用范围 4、平衡非简并载流子的计算公式重点：状态密度、统计分布、费米能级难点：费米

47、能级教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）绪：第二章习题处理1、状态密度的概念及计算状态密度表示能带中能量E附近单位能量间隔内量子态数。硅、锗的导带底附近，等能面是旋转椭球，E(k)与k的关系： (3-1)状态密度为: (3-2)价带顶附近状态密度为: (3-3)图3-1 状态密度与能量的关系gc(E)gv(E)EcEv2、电子遵循的费米统计规律 (3-1)其中为费米能级，是电子统计分布的基本物理参量。根据(3-1)可知，时，时及温度不太高时，费米分布函数与温度的关系曲线如图3-2所示。01/21DBCAEF图3-2 费米分布函数与温度的关系曲线(A、B、C、D分别表0、

48、300、1000、1500K)3、时，电子占据量子态的几率，此时不受泡利不相容原理限制，费米分布转化为玻尔兹曼分布，电子分布遵循玻尔兹曼分布 (3-2)常见半导体中，位于禁带内，导带底和价带顶满足，故常用玻尔兹曼分布计算半导体问题。通常把服从玻尔兹曼分布的电子系统称为非简并性系统，服从费米分布的电子系统称为简并性系统。4、导带中电子的大多数是在导带底附近，价带中大多数空穴则在价带顶附近，热平衡条件下，非简并情况下导带中电子浓度 (3-3)其中 为导带的有效状态密度。同样，非简并情况下价带中空穴浓度 (3-4)其中 ，和随温度和不同而变化。5、载流子浓度乘积 (3-5)与无关，不同半导体，由Eg

49、 、T决定；一定半导体，取决于T, 与杂质无关。处于热平衡的半导体，、成反比。适用于热平衡下的本征半导体和非简并杂质半导体。 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P65-P5作业安排：刘恩科半导体物理学，复习相关内容7.6教学单元六学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修6/22016-2017 /2教学目标：教学目标：推导本征半导体的载流子浓度的表达式，讨论其变化规律。讨论在不同温度下杂质半导体的载流子浓度和费米能级的表达式，讨论其变化规律教学内容：知识点： 1、本征费米能级 2、本征载流子浓度ni 3、在不同温度和掺杂下的费米能级与载

50、流子浓度重点：载流子浓度难点：载流子浓度教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）1、本征半导体的费米能级 (3-6)对于常用的半导体材料Si、Ge和GaAs，基本上在禁带中线处。本征载流子浓度 (3-7) (3-8)，一定温度下，非简并半导体的热平衡载流子浓度乘积等于本征载流子浓度的平方，与所含杂质无关。T一定，Eg越大，指数下降；Eg一定，随T升高而指数增大；用本征材料制作的器件极不稳定，常用杂质半导体。每一种半导体材料器件有一定的极限工作温度,其随Eg增大而增加。2、杂质能级上的电子和空穴：一个杂质能级最多只能容纳一个电子或空穴。电离施主杂质浓度 (3-9)电离受主杂质

51、浓度 (3-10)3、n型半导体的载流子浓度 电中型条件：。 杂质电离低温下就不可忽视，室温下几乎全电离，达到饱和；本征激发在室温下一般都还比较小，但随温度升高，迅速增大。杂质电离区，多子几乎完全由杂质电离提供；过渡区：本征激发不可忽视，数量级上与杂质电离相当；本征激发区，本征激发产生的载流子至少比杂质电离高一个数量级。A.杂质电离区：，又以电离程度分为3个区：a. 低温弱电离区：温度很低，少量施主电离(3-11) (3-12) b. 中间电离区 温度升高，当后，降至之下; 当温度升高到，时,1/3杂质电离 c.强电离区：温度升高到大部分杂质都电离，,可得 (3-13)杂质全电离时，这时载流子

52、与温度无关，载流子浓度保持等于杂质浓度的这一温度范围称为饱和区。对常用半导体，通常掺杂剂处于饱和区杂质达到全电离，存在一个浓度上限，高于此值，杂质将不能达到全电离，该值随温度升高而增大，随电离能增加而减小。令未电离施主占施主杂质数的百分比为：，则。弱电离，；全电离，。杂质全部电离的浓度上限Nmax决定于电离能和温度，越高，T越低，Nmax越小。另一方面，杂质全部电离的温度决定于电离能和杂质浓度。和越高，该温度越高。 B.过渡区： (3-14)载流子浓度解联立方程：当时， (3-15) (3-16)当时， (3-17) (3-18) C.高温本征激发区：本征激发产生的载流子数远多于杂质电离产生的

53、载流子数，即 (3-19)接近禁带中线处，载流子浓度随温度升高而迅速增加；杂质浓度越高，本征激发起作用的温度越高。 4、p型半导体的载流子浓度A. 低温电离区 B. 强电离区 C. 过渡区 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P75-P88作业安排：刘恩科半导体物理学；复习相关内容7.7教学单元七学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修7/22016-2017 /2教学目标：了解一般情况下的载流子统计分布 ，掌握简并半导体教学内容：知识点： 1、一般情况下的载流子统计分布 2、简并半导体教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt

54、讲述法）1、一般情况下的载流子统计分布 半导体含有一种施主和一种受主时，电中性条件：，采用有效杂质浓度，可利用前面的单一杂质半导体的相应理论 半导体中含i种受主和j种施主，则电中性条件为：。2、简并半导体（1） 重掺杂时，费米能级接近甚至进入导带或价带，此时导带电子分布要受到泡利不相容原理的限制，电子服从费米分布函数。简并化条件（N型）：开始发生强简并时杂质浓度：，电离能越小，发生简并相应的浓度越小。（2） 禁带变窄效应：重掺杂时，杂质电子的共有化运动使杂质能级扩展为杂质能带，该能带与允带连接，使禁带变窄。相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P88-P104作业安排：刘恩科半导体物理学，复习

55、相关内容，P102，习题：1，2，4，7，9.7.8教学单元八学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修8/22016-2017 /2教学目标：根据熟知的欧姆定律，推导出欧姆定律的微分形式。引入迁移率的概念和定义式，并给出半导体的电导率和迁移率的关系。引入散射的概念，描述几种主要的散射机构，并分别说明散射几率由哪些因素决定教学内容：知识点： 1、欧姆定律的微分形式 2、漂移速度和迁移率，电导率和迁移率 3、几种主要的散射机构及其决定散射几率的因素重点：电导率、漂移速度、迁移率、散射机难点：载流子的散射机构教学实施过程及教学方法教学过程及教学方

56、法（结合ppt讲述法）绪：第三章习题处理1、欧姆定律 在半导体内部，常遇到电流分布不均匀的情况，熟知的欧姆定律 (4-1)不能说明半导体内部电流的分布情况。利用电流密度J=I/S,推导出欧姆定律的微分形式 (4-2)式中 =1/为半导体电导率。2、漂移速度和迁移率载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，其定向运动的速度称为漂移速度。因为带电粒子的定向运动形成电流，所以，对电子而言，电流密度应为 (4-3)式中 是电子的平均漂移速度。 对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度成正比例

57、(4-4) 迁移率，表征单位场强下电子平均飘移速度，单位为m2/Vs或 cm2/Vs，迁移率一般取正值 (4-5)由此得到电导率和迁移率的关系 (4-6)在实际半导体中，=nq+pq.n型半导体， np, =nq;p型半导体， pn, = pq;本征型半导体， n=p=n,= nq(+) 3、散射的概念在电场力作用下的载流子一方面子遭受散射，使载流子速度的方向和大小不断改变，另一方面，载流子受电场力作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动。二者作用的结果是载流子以一定的平均漂移速度做定向运动。4、主要的散射机构半导体的主要散射机构是电离杂质散射和晶格振动散射。电离杂质散射电离杂质周

58、围存在库仑场，运动到其附件的载流子受到库仑场作用，速度发生改变，此为电离杂质散射。电离杂质越多，载流子受到散射的几率越大，温度越高，载流子更易掠过电离杂质，所以电离杂质散射几率 (4-7)晶格振动散射晶格中原子都在各自平衡位置附近做微小振动，形成格波。频率高的格波称为光学波，频率低的为声学波。格波的能量量子为声子。长纵声学波原子疏密的变化形成附近势场引起散射，长纵光学波形成极性光学波散射和光学波形变势散射。格振动散射主要是以长纵光学波和长纵声学波为主。晶体中的电子与声子作用，即散射，遵循动量和能量守恒 (4-8) (4-9),分别表示声子的准动量和能量。长声学波声子频率低，发生弹性散射，而长光

59、学波散射为非弹性散射。长纵声学波散射几率 (4-10) 长纵光学波散射几率 (4-11)其他因素引起的散射有（1）等同的能谷间散射（2）中性杂质散射（3）位错散射（4）合金散射（5）载流子间的散射（强简并时显著） 相关阅读材料及页码：刘恩科半导体物理学P106-P116作业安排：刘恩科半导体物理学，复习相关内容7.9教学单元九学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期物电学院半导体物理学3/48专业必修9/22016-2017 /2教学目标：引入平均自由时间的概念，推导平均自由时间和散射几率互为倒数关系，给出电导率、迁移率与平均自由时间的关系，并给出迁移率与杂质浓度和温度的关系

60、。分析不同掺杂浓度下电阻率与杂质浓度的关系，并以中等掺杂浓度的Si为例，阐述其电阻率随温度的变化规律教学内容：知识点： 1、平均自由时间和散射几率的关系 2、电导率、迁移率与平均自由时间的关系 3、迁移率与杂质浓度和温度的关系 4、电阻率与杂质浓度的关系 5、电阻率与温度的关系重点：迁移率、散射机制、平均自由时间、散射概率难点：载流子的散射机构；电导率与迁移率的关系教学实施过程及教学方法教学过程及教学方法（结合ppt讲述法）1. 平均自由时间和散射几率的关系载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间称为自由时间，取极多次而求平均值，则称之为载流子的平均自由时间，常用表示。平均自由