半導(dǎo)體物理教學(xué)大綱

《半導(dǎo)體物理》教學(xué)大綱課程名稱(chēng)：半導(dǎo)體物理學(xué)英文名稱(chēng)：SemiconductorPhysics課程編號(hào)：課程類(lèi)別：專(zhuān)業(yè)選修課使用對(duì)象：應(yīng)用物理、電信專(zhuān)業(yè)本科生總學(xué)時(shí)：48學(xué)分：3先修課程：熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)；量子力學(xué)；固體物理學(xué)

使用教材：《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科等主編，電子工業(yè)出版社出版一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)本課程是高等學(xué)校應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)、電子與信息專(zhuān)業(yè)本科生的專(zhuān)業(yè)選修課。本課程的目的和任務(wù)是：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生獲得半導(dǎo)體物理方面的基本理論、基本知識(shí)和辦法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)要為應(yīng)用物理與電信專(zhuān)業(yè)本科生的半導(dǎo)體集成電路、激光原理與器件、功效材料等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)二、教學(xué)內(nèi)容及規(guī)定

本課程所使用的教材，共13章，概括可分為四大部分。第1～5章，晶體半導(dǎo)體的基本知識(shí)和性質(zhì)的敘述；第6～9章歸結(jié)為半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象；第10～12章，半導(dǎo)體的多個(gè)特殊效應(yīng)；第13章，非晶態(tài)半導(dǎo)體。

全部課堂教學(xué)為48學(xué)時(shí)，對(duì)上述內(nèi)容作了必要的精簡(jiǎn)。10～13章全部不在課堂講授，留給學(xué)生自學(xué)或參考，其它各章的內(nèi)容也作了部分柵減。具體內(nèi)容和規(guī)定以下：第1章

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的晶格構(gòu)造和結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)

有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

空穴回旋共振硅和鍺的能帶構(gòu)造III-V族化合物半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造II-VI族化合物半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造Si1-xGex合金的能帶寬禁帶半導(dǎo)體材料基本規(guī)定：將固體物理的晶體構(gòu)造和能帶論的知識(shí)應(yīng)用到半導(dǎo)體中，以進(jìn)一步理解半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)；明確回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的、意義和原理，進(jìn)而理解重要半導(dǎo)體材料的能帶構(gòu)造。（限于學(xué)時(shí)，本章的第7-10節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)；有效質(zhì)量；空穴概念。難點(diǎn)：能帶論的定性描述和理解；鍺、硅、砷化鎵能帶構(gòu)造第2章

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺點(diǎn)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質(zhì)能級(jí)缺點(diǎn)、位錯(cuò)能級(jí)基本規(guī)定：根據(jù)不同雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中引入能級(jí)的狀況，理解其性質(zhì)和作用，由其分清淺雜質(zhì)能級(jí)（施主和受主）和深能級(jí)雜質(zhì)的性質(zhì)和作用；理解缺點(diǎn)、位錯(cuò)能級(jí)的特點(diǎn)和作用。（限于學(xué)時(shí)，本章的第3節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：雜質(zhì)類(lèi)型；施主雜質(zhì)，施主能級(jí)，受主雜質(zhì)，受主能級(jí)等概念；淺能級(jí)雜質(zhì)，深能級(jí)雜質(zhì)；雜質(zhì)賠償作用。難點(diǎn)：雜質(zhì)能級(jí)；雜質(zhì)電離的過(guò)程第3章

半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)密度費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布本征半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度普通狀況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布簡(jiǎn)并半導(dǎo)體電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的概率基本規(guī)定：

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)純熟掌握課本中所闡明的基本概念和多個(gè)關(guān)系，能順利導(dǎo)出有關(guān)重要基本公式，精確計(jì)算在多個(gè)不同雜質(zhì)濃度和溫下的費(fèi)米能級(jí)位置和載流子濃度，從而對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)有更進(jìn)一步的理解。（限于學(xué)時(shí)，本章的第7節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：波矢空間的量子態(tài)的分布；半導(dǎo)體導(dǎo)帶底，價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算；費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及其物理意義；本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算．

難點(diǎn)：半導(dǎo)體導(dǎo)帶底，價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算；費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布；雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算第4章

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率載流子的散射遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系玻耳茲曼方程、電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)、熱載流子多能谷散射、耿氏效應(yīng)基本規(guī)定：通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)理解幾個(gè)重要散射機(jī)構(gòu)的機(jī)理、散射幾率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系，從而明確遷移率、電導(dǎo)率、電阻率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系。最后以半導(dǎo)體在強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)及耿氏效應(yīng)進(jìn)行定性解釋。（限于學(xué)時(shí)，本章的第5、6、7節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：電導(dǎo)率、遷移率概念及互有關(guān)系；遷移率、電阻率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律；強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)難點(diǎn)：載流子的散射機(jī)構(gòu)；電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系；強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)；熱載流子

第5章

非平衡載流子非平衡載流子的注入與復(fù)合非平衡載流子的壽命準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)復(fù)合理論陷阱效應(yīng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，愛(ài)因斯坦關(guān)系式持續(xù)性方程式硅的少數(shù)載流子壽命與擴(kuò)散長(zhǎng)度基本規(guī)定：在理解本章多個(gè)基本要領(lǐng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)牢固掌握非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)總結(jié)出來(lái)的電流密度方程和持續(xù)性方程有進(jìn)一步的理解和靈活應(yīng)用。（限于學(xué)時(shí)，本章的第9節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合；非平衡載流子壽命；載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)；持續(xù)性方程運(yùn)用難點(diǎn)：復(fù)合理論；愛(ài)因斯坦關(guān)系；持續(xù)性方程的應(yīng)用pn結(jié)pn結(jié)及其能帶圖pn結(jié)電流電壓特性pn結(jié)電容pn結(jié)擊穿pn結(jié)隧道效應(yīng)基本規(guī)定：理解pn結(jié)的物理特性以及能帶圖，掌握pn結(jié)接觸電勢(shì)差的計(jì)算，理解pn結(jié)的電流電壓pn結(jié)電容的意義和計(jì)算，理解pn結(jié)的擊穿機(jī)制和隧道效應(yīng)重點(diǎn)：空間電荷區(qū)、pn結(jié)接觸電勢(shì)差、載流子分布、電流電壓特性、結(jié)電容、擊穿機(jī)制、隧道效應(yīng)難點(diǎn)：電流電壓特性、結(jié)電容第7章

金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金屬半導(dǎo)體接觸整流理論少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸基本規(guī)定：通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)對(duì)抱負(fù)和實(shí)際的金—半接觸能帶圖應(yīng)進(jìn)一步理解，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其電流傳輸理論的幾個(gè)模型建立，應(yīng)用和推導(dǎo)要有所理解，并掌握實(shí)現(xiàn)良好歐姆接觸和整流接觸的原理和辦法。重點(diǎn)：金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析及簡(jiǎn)圖畫(huà)法難點(diǎn)：金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析，熱電子發(fā)射理論第8章

半導(dǎo)體表面與MIS構(gòu)造表面態(tài)表面電場(chǎng)效應(yīng)MIS構(gòu)造的電容—電壓特性硅—二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)表面電導(dǎo)及遷移率表面電導(dǎo)對(duì)pn結(jié)特性的影響基本規(guī)定：通過(guò)學(xué)習(xí)，在認(rèn)識(shí)表面狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)抱負(fù)MIS構(gòu)造的表面電場(chǎng)效應(yīng)、電容電壓特性有深刻理解，對(duì)實(shí)際MIS構(gòu)造中出現(xiàn)的多個(gè)狀況進(jìn)行分析，并與抱負(fù)C-V特性相比較，從而明確如何用C-V法來(lái)理解半導(dǎo)體的表面狀況，進(jìn)而對(duì)使用最多的Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)有具體的理解。（限于學(xué)時(shí)，本章的第5、6節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)，MIS構(gòu)造的電容一電壓特性難點(diǎn)：硅－二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)第9章

異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)量子阱構(gòu)造及其電子能態(tài)與特性半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)構(gòu)造GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)構(gòu)造半導(dǎo)體超晶格基本規(guī)定：通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)純熟掌握多個(gè)抱負(fù)異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫(huà)法，理解異質(zhì)結(jié)幾個(gè)電流傳輸模型和重要應(yīng)用，并對(duì)半導(dǎo)體超晶格材料有初步理解。（限于學(xué)時(shí)，本章的第3-6節(jié)可不講授，留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：抱負(fù)異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫(huà)法難點(diǎn)：異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫(huà)法第10章

半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)半導(dǎo)體的光吸取半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用基本規(guī)定：半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)及光電效應(yīng)，是半導(dǎo)體特殊效應(yīng)中最重要的，通過(guò)對(duì)其性質(zhì)和機(jī)理的研究，不僅可發(fā)展多個(gè)光敏器件、光電池發(fā)光管和激光器等，并且還能夠理解半導(dǎo)體本身的許多性質(zhì)。（限于學(xué)時(shí)，本章可根據(jù)需要與可能選擇講述）。重點(diǎn)：半導(dǎo)體的光吸取及發(fā)光現(xiàn)象，半導(dǎo)體光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)、半導(dǎo)體激光難點(diǎn)：光電導(dǎo)效應(yīng)；電致發(fā)光機(jī)構(gòu)第11章半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)熱電效應(yīng)的普通描述半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率半導(dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)半導(dǎo)體的湯姆遜效應(yīng)半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的應(yīng)用基本規(guī)定：理解半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)的種類(lèi)、應(yīng)用和物理機(jī)制，掌握半導(dǎo)體溫差電動(dòng)勢(shì)率的計(jì)算和影響因素。（限于學(xué)時(shí)，本章留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、溫差電動(dòng)勢(shì)率、熱導(dǎo)率難點(diǎn)：溫差電動(dòng)勢(shì)率第12章

半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)

1.

霍耳效應(yīng)

2.

磁阻效應(yīng)

3.

磁光效應(yīng)

4.

量子化霍耳效應(yīng)

5.

熱磁效應(yīng)

6.

光磁電效應(yīng)

7.

壓阻效應(yīng)

基本規(guī)定：理解半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)、量子化霍爾效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、壓阻效應(yīng)的物理機(jī)制和應(yīng)用。（限于學(xué)時(shí)，本章留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)、量子化霍爾效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、壓阻效應(yīng)難點(diǎn)：量子化霍爾效應(yīng)第13章非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體的構(gòu)造非晶半導(dǎo)體中的電子態(tài)非晶半導(dǎo)體中的缺點(diǎn)、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)非晶半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)非晶半導(dǎo)體中的光學(xué)性質(zhì)α–Si:H的pn結(jié)余金屬-半導(dǎo)體接觸特性基本規(guī)定：理解非晶半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造的特點(diǎn)，理解非晶半導(dǎo)體的遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)的物理意義，掌握非晶半導(dǎo)體光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)以及應(yīng)用。（限于學(xué)時(shí)，本章留學(xué)生參閱，不作具體規(guī)定）。重點(diǎn)：非晶半導(dǎo)體的能帶、遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)、非晶半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制和光電導(dǎo)難點(diǎn)：非晶半導(dǎo)體的遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)三、教學(xué)日歷專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：物理學(xué)院課堂教學(xué)時(shí)數(shù)：48周次教學(xué)內(nèi)容時(shí)數(shù)教學(xué)方式1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的晶格構(gòu)造和結(jié)合性質(zhì)2講授半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量2講授2本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴回旋共振2講授3硅和鍺的能帶構(gòu)造*Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造*Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造*Si1-xGex合金的能帶*寬禁帶半導(dǎo)體材料2講授半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺點(diǎn)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)*氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質(zhì)能級(jí)2講授4缺點(diǎn)、位錯(cuò)能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)密度2講授5費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布本征半導(dǎo)體的載流子濃度2講授雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度普通狀況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布2講授6簡(jiǎn)并半導(dǎo)體*電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的概率2講授7半導(dǎo)體的導(dǎo)電性載流子的飄移運(yùn)動(dòng)和遷移率載流子的散射2講授遷移率與雜質(zhì)雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系*波爾茲曼方程、電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)、熱載流子*多能谷散射、耿氏效應(yīng)2講授8非平衡載流子非平衡載流子的注入與復(fù)合非平衡載流子的壽命2講授9準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)復(fù)合理論2講授陷阱效應(yīng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2講授10載流子的漂移擴(kuò)散，愛(ài)因斯坦關(guān)系式持續(xù)性方程式*硅的少數(shù)載流子壽命與擴(kuò)散長(zhǎng)度2講授11pn結(jié)pn結(jié)及其能帶圖2講授pn結(jié)電流電壓特性pn結(jié)電容2講授12pn結(jié)擊穿金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬盒半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖2講授13金屬半導(dǎo)體接觸整流理論少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸2講授半導(dǎo)體表面與MIS構(gòu)造表面態(tài)表面電場(chǎng)效應(yīng)2講授14MIS構(gòu)造的C-V特性硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)2講授15表面電導(dǎo)及遷移率*表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)特性的影響異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖2講授半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性*半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)量子阱構(gòu)造及其電子能態(tài)與特性*半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)構(gòu)造*GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)構(gòu)造*半導(dǎo)體超晶格2講授16習(xí)題討論與復(fù)習(xí)課2討論*內(nèi)容為選講內(nèi)容。四、參考資料1、《半導(dǎo)體物理》，作者：錢(qián)佑華，徐至中，高等教育出版社

介紹：全書(shū)涉及七章：第一章在能帶的框架內(nèi)解說(shuō)半導(dǎo)體電子的能量狀態(tài)；第二章簡(jiǎn)要介紹電子的平衡統(tǒng)計(jì)；第三章講述能帶電子的輸運(yùn)規(guī)律；第四章闡明外界作用引發(fā)額外載流子的行為；第五章討論半導(dǎo)體的表面與界面；第六章介紹金屬二分之一導(dǎo)體接觸、pn結(jié)、異質(zhì)結(jié)、量子阱及超晶格；第七章解說(shuō)半導(dǎo)體光譜。2、《半導(dǎo)體器件物理》(第3版)，作者：耿莉，張瑞智譯|(美)S.M.Sze,

KwokK.Ng著，西安交通大學(xué)出版社

介紹：該版保存了重要半導(dǎo)體器件的最為詳盡的知識(shí)內(nèi)容，并做了更新和重新組織，反映了當(dāng)今器件在概念和性能等方面的巨大進(jìn)展，能夠使讀者快速地理解當(dāng)今半導(dǎo)體物理和全部重要器件，如雙極、場(chǎng)效應(yīng)、微波、光子器件和傳感器的性能特點(diǎn)。

本書(shū)專(zhuān)為碩士教材和參考所需設(shè)計(jì)，新版本涉及：以最新進(jìn)展進(jìn)行了全方面更新；涉及了對(duì)三維MOSFET、MODFET、共振隧穿二極管、半導(dǎo)體傳感器、量子級(jí)聯(lián)激光器、單電子晶體管、實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件等新型器件的敘述；對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了重新組織和安排；各章背面配備了習(xí)題；重新高質(zhì)量地制作了書(shū)中的全部插圖。

《半導(dǎo)體器件物理》(第3版)為工程師、研究人員、科技工作者、高校師生提供理解當(dāng)今應(yīng)用中最為重要的半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)將來(lái)器件性能和局限性提供了良好的基礎(chǔ)。3、《SemiconductorPhysicsandDevices:BasicPrinciples》3rdEd.半導(dǎo)體物理與器件--基本原理(第3版)作者：(美)DonaldA.Neamen清華大學(xué)出版社

《半導(dǎo)體物理與器件》(第三版)國(guó)外電子與通信教材系列作者：(美)Donald電子工業(yè)出版社

介