《半導體物理與器件》課程教學大綱

1、半導體物理與器件教學大綱課程編號：100093101課程名稱：半導體物理與器件高等教育層次：本科課程在培養(yǎng)方案中的地位：課程性質(zhì)：必修課程類別：Bz類別專業(yè)基礎課程基本模塊適用專業(yè)：電子信息類專業(yè)開課學年及學期：非強制，建議大學三年級。先修課程（a)必須先修且考試通過的課程，b)必須先修過的課程，c)建議先修的課程）： a) 數(shù)學分析 工程數(shù)學 大學物理B 量子力學 b) 數(shù)學物理方法 c) 無課程總學分：4.5，總學時:72 課程教學形式：普通課程:0課程教學目標：課程教學目標（給出知識能力素養(yǎng)各方面的的具體教學結(jié)果）教學效果評價（選填項）不及格及格，中良優(yōu)通過理論教學，使學生掌握半導體與半

2、導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論。具備解決涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決能力。完全不掌握半導體與半導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論。完全不具備解決涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決能力?；菊莆瞻雽w與半導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論?；揪邆浣鉀Q涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決能力，但是知識掌握和能力形成不全面。較好掌握半導體與半導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論。較好地具備解決涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決

3、能力。能夠掌握半導體與半導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論。具備解決涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決能力，知識掌握和能力形成俱佳。通過課堂教學，使學生能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計。完全不能能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計。基本能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計，但對所涉及到的材料與器件設計中的原理和工藝技術應用不夠精準

4、完善。能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計，對所涉及到的材料與器件設計中的原理和工藝技術應用不夠完善。能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計，能夠?qū)λ婕暗降牟牧吓c器件設計中的原理和工藝技術應用有精準和完善的應用。通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用工程數(shù)學、半導體物理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起理論模型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。完全不能應用工程數(shù)學、半導體物

5、理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起理論模型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。基本能夠應用工程數(shù)學、半導體物理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起理論模型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。能夠應用工程數(shù)學、半導體物理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起理論模型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。能夠應用工程數(shù)學、半導體物理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起完善的理論模

6、型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。通過課堂教學和課外研討，使學生能夠結(jié)合半導體物理和半導體器件的基本原理，了解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法。能夠?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析。學會利益工程手冊和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫資源的來解決實際工程問題。完全不能夠結(jié)合半導體物理和半導體器件的基本原理，了解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法。不能夠?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析?；灸軌蚪Y(jié)合半導體物理和半導體器件的基本

7、原理，了解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法?；灸軌?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析。能夠結(jié)合半導體物理和半導體器件的基本原理，了解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法。能夠?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析。能夠結(jié)合半導體物理和半導體器件的基本原理，掌握解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法。完全能夠?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析。5. 通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用所獲得的

8、半導體物理與半導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件。并能夠根據(jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題。完全無能力運用所獲得的半導體物理與半導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件。無能力根據(jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題?；居心芰\用所獲得的半導體物理與半導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件?；居心芰Ω鶕?jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題。能夠運用所獲得的半導體物理與半

9、導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件。能夠根據(jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題，但設計和工藝方案稍有欠缺。很好運用所獲得的半導體物理與半導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件。能夠根據(jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題，設計方案完善、科學合理。課程教學目標與所支承的畢業(yè)要求對應關系畢業(yè)要求（指標點）編號畢業(yè)要求（指標點）內(nèi)容課程教學目標（給出知識能力素養(yǎng)各方面的的具體教學結(jié)果）1.2具有對電子封裝和電子制造相關問題進行表征、分析的物理、化學、力

10、學等知識課程目標1：通過理論教學，使學生掌握半導體與半導體器件的基本原理、基礎知識和基礎理論。具備解決涉及到半導體器件設計中的材料問題和工藝設計中遇到的復雜工程問題的分析解決能力。1.23.34.21.具有綜合運用理論和技術手段設計系統(tǒng)和過程的能力，設計過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素。2. 熟悉電子封裝和電子制造中相關器件、組件的結(jié)構和作用原理，具備對電子封裝材料與結(jié)構、電子制造和封裝工藝方案設計、實驗過程及工藝流程設計、相關材料選取、性能測試以及可靠性分析的能力，并能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析課程目標2：通過課堂教學，使學生能夠應用高等數(shù)學、半導體物理、材料科學基礎

11、的基本原理來分析半導體器件的功能特性與器件設計所用材料及其工藝的設計。課程目標3：通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用工程數(shù)學、半導體物理和半導體器件原理，對涉及半導體器件設計的工程問能建立起理論模型，并對理論模型求解，能夠利用理論模型的解指導器件的設計和對器件功能特性進行預測和評估。課程目標4：通過課堂教學和課外研討，使學生能夠結(jié)合半導體物理和半導體器件的基本原理，了解涉及到半導體材料的電學和光學特性的基本參數(shù)、半導體器件的基本特性參數(shù)進行測量的技術和方法。能夠?qū)Π雽w材料和半導體器件的基本參數(shù)進行測試和分析。學會利益工程手冊和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫資源的來解決實際工程問題。4.2熟悉電子封裝和電

12、子制造中相關器件、組件的結(jié)構和作用原理，具備對電子封裝材料與結(jié)構、電子制造和封裝工藝方案設計、實驗過程及工藝流程設計、相關材料選取、性能測試以及可靠性分析的能力，并能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析課程目標5：通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用所獲得的半導體物理與半導體器件的知識，設計符合工程要求的pn結(jié)型，肖特基結(jié)型和場效應型半導體光電子和微電子器件。并能夠根據(jù)器件參數(shù)測量結(jié)果分析并改進器件設計所涉及到的材料和工藝問題。教學內(nèi)容、學時分配、與進度安排教學內(nèi)容學時分配所支承的課程教學目標教學方法與策略（可結(jié)合教學形式描述）（選填）緒 論半導體與集成電路歷史，集成電路，制造，本課程內(nèi)容和要求。21.

13、2固體晶格結(jié)構1.1半導體材料固體類型空間晶格原子價鍵固體中的缺陷和雜質(zhì)半導體生長器件工藝與技術小結(jié)31.2固體理論初步2.1量子力學基本原理薛定諤波動方程薛定諤波動方程的應用能帶理論態(tài)密度函數(shù)統(tǒng)計力學小結(jié)101.2平衡態(tài)半導體3.1平衡態(tài)半導體中的載流子3.2 雜質(zhì)原子與能級3.3 非本征半導體3.4 施主和受主的統(tǒng)計力學3.5 電中性狀態(tài)3.6 費米能級的位置3.7 小結(jié)51.2載流子輸運現(xiàn)象4.1 載流子的漂移運動4.2 載流子擴散4.3 雜質(zhì)梯度分布4.4 霍爾效應4.5 小結(jié)51.23.34.2半導體中的非平衡過剩載流子5.1 載流子的產(chǎn)生與復合5.2 過剩載流子的性質(zhì)5.3 雙極輸

14、運5.4 準費米能級5.5 過剩載流子的復合壽命5.6 表面效應5.7 小結(jié)51.23.34.2pn結(jié)6.1 pn結(jié)的基本構造6.2 零偏6.3 反偏6.4 非均勻摻雜pn結(jié)6.5 小結(jié)51.23.34.2pn結(jié)二極管7.1 pn結(jié)電流7.2 pn結(jié)的小信號模型7.3 產(chǎn)生-復合電流7.4 結(jié)擊穿7.5 電荷存儲與二極管瞬態(tài)7.6 隧道二極管7.7 小結(jié)51.23.34.2金屬半導體和半導體異質(zhì)結(jié)8.1 肖特基勢壘二極管8.2 金屬-半導體的歐姆接觸8.3 異質(zhì)結(jié)8.4 小結(jié)41.23.34.2雙極晶體管9.1 雙極晶體管的工作原理9.2 少數(shù)載流子的分布9.3 低頻共基極電流增益9.4 非理

15、想效應9.5 等效電路模型9.6 頻率上限9.7 大信號開關9.8 小結(jié)71.23.34.2金屬-氧化物-半導體場效應管基礎10.1 雙端MOS結(jié)構電容電壓特性MOSFET基本工資原理頻率限制特性10.5 小結(jié)41.23.34.2金屬-氧化物-半導體場效應晶體管：概念的深入11.1 非理想效應11.2 MOSFET按比例縮小理論11.3 閾值電壓的修正11.4 附加電學特性11.5 輻射和熱電效應11.6 小結(jié)71.23.34.2結(jié)型場效應晶體管12.1 JFET概念12.2 器件的特性12.3 非理想因素12.4 等效電路和平率限制12.5 高電子遷移率晶體管12.6 小結(jié)41.23.34.

16、2光電器件13.1 光吸收13.2 太陽能電池13.3 光電探測器13.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光13.5 光電二極管13.6 激光二極管13.7 小結(jié)61.23.34.2考核與成績評定：平時成績、期末考試在總成績中的比例，平時成績的記錄方法。（1） 課程整體考核課程目標序號課程目標考核方式及標準課程目標1課程目標1：通過理論教學，使學生掌握微波傳輸線理論、微波無源元器件和微波網(wǎng)絡等的微波技術基礎知識，并具備解決電子信息系統(tǒng)中涉及到的微波分系統(tǒng)或部件復雜工程問題的能力。統(tǒng)計期末考試第1大題平均得分率，統(tǒng)計各次作業(yè)學生平均得分率，經(jīng)加權計算可得該課程目標達成度數(shù)值。若達到60%，則判定這門課達成對第

17、1.2條畢業(yè)要求的支撐，達到課程目標1。課程目標2課程目標2：通過課堂教學，使學生能夠應用高等數(shù)學、電磁學的基本原理來區(qū)分電子信息系統(tǒng)中那些是微波技術所涉及的問題，并能夠用高等數(shù)學、電磁學的描述方式來表達這些問題。統(tǒng)計期末考試第2大題平均得分率，統(tǒng)計各次作業(yè)學生平均得分率，經(jīng)加權計算可得該課程目標達成度數(shù)值。若達到60%，則判定這門課達成對第1.2、3.3、4.2條畢業(yè)要求的支撐，達到課程目標2。課程目標3課程目標3：通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用高等數(shù)學、電磁學的基本原理來選擇和掌握電子信息系統(tǒng)中微波技術所涉及分系統(tǒng)或部件的數(shù)學模型，并能夠分析求解數(shù)學模型得出結(jié)論。學生應能掌握驗

18、證性實驗的原理、基于的數(shù)學模型和預期結(jié)論。統(tǒng)計期末考試第3大題平均得分率，統(tǒng)計各次作業(yè)學生平均得分率，統(tǒng)計各次綜合大作業(yè)學生平均得分率，經(jīng)加權計算可得該課程目標達成度數(shù)值。若達到60%，則判定這門課達成對第1.2、3.3、4.2條畢業(yè)要求的支撐，達到課程目標3。課程目標4課程目標4：通過課堂教學和課外研討，使學生能夠了解微波技術領域的重要標準規(guī)范、重要學術論文的來源和檢索途徑，引導學生通過檢索獲取相關信息，使之有助于開展微波工程領域復雜問題的分析。統(tǒng)計各次綜合大作業(yè)學生平均得分率，經(jīng)加權計算可得該課程目標達成度數(shù)值。若達到60%，則判定這門課達成對第1.2、3.3、4.2條畢業(yè)要求的支撐，達到

19、課程目標4。課程目標5課程目標5：通過課堂教學和學生自主學習，使學生能夠應用所獲得的微波傳輸線、微波無源元器件和微波網(wǎng)絡的知識，設計符合工程要求的傳輸線、諧振腔等無源元器件和網(wǎng)絡結(jié)構。統(tǒng)計各次綜合大作業(yè)學生平均得分率，統(tǒng)計讀書報告學生平均得分率，經(jīng)加權計算可得該課程目標達成度數(shù)值。若達到60%，則判定這門課達成對第4.2條畢業(yè)要求的支撐，達到課程目標5。（2） 學生個體成績評定序號考核項目/方式比例考核類型/考核時長/字數(shù)要求考評內(nèi)容（課程目標的對應項）1平時作業(yè)20%30小時共10次課后作業(yè)，第1次為完成第一，第二和第三章教學后；第2次為第四和第五章問題；第3次為第六和第七章問題；第四次為第

20、八和第九章問題；第五次是第十章的問題；第六次是第十一和第十二章的問題；第七次是第十三章的問題；第八次是第十四章的問題。對應課程目標1、2、3、4、5。2綜合大作業(yè)15%20小時共4次綜合大作業(yè)，第1為固體晶格、量子力學及其應用和量子理論初步；第二次是半導體載流子與載流子輸運；第三次是pn結(jié)與肖特基結(jié)部分知識； 第三次是雙極晶體管原理及非理想效應；第四次是場效應管原理與非理想效應；第四次是光器件與功率器件部分知識。對應課程目標1、2、3、4、5。3讀書報告10%5000字2次讀書報告，第一次是在指定范圍內(nèi)閱讀經(jīng)典半導體物理和固體物理書籍，第二次是半導體器件原理與設計工藝指定書籍，寫出兩份讀書報告

21、。對應課程目標5。4期末考試60%閉卷，2小時?？己嘶A理論知識和技術手段的掌握程度，能用理論和技術開展微波工程問題的分析。對應課程目標1、2、3、4。各項考核項目均按照百分制給分，記錄在成績表中，總評成績時按照各項比例進行加權，然后總和得出考核成績，60分以下為不及格，60分（含）70分為及格，70分（含）80分為中等，80分（含）90分為良好，90分（含）100分為優(yōu)秀。若期末考試卷面成績（百分制）低于60分，則總評成績?yōu)椴患案瘢傇u成績?yōu)榫砻娉煽兘?jīng)60%加權后的成績，不計平時成績。教材，參考書:選用教材：【美】Donald A. Neamen 著，趙毅強，姚素英 解曉東等譯，半導體物理與

22、器件M（第四版），北京:電子工業(yè)出版社，2015。 參考書：1. C. Kittel【美】著，固體物理導論M，北京:中國科學出版社，2010。 2. 曾謹言著， 量子力學，中國科學出版社，2012。大綱說明：本課程是一門專業(yè)技術基礎課，適合于固態(tài)電子設計與制造類專業(yè)。在固態(tài)微電子設計和制造過程中，不可避免地將涉及到各種半導體材料與器件的設計和工藝問題。因此，有關半導體材料與器件的基礎知識是未來電子工程師所必須具備的。本課程主要要求掌握半導體材料特性與半導體器件的理論和設計原理和基本工藝，初步掌握微電子器件的設計方法和檢測方法與技術，為同學們進一步的學習及走向?qū)嶋H工作崗位打下一個良好的工程基礎。

23、本課程要求學生具有較深厚的數(shù)學基礎和物理知識，必須熟練掌握半導體材料與半導體物理、與固體物理的量子理論的基本概念和基礎知識。本課程是后續(xù)專業(yè)課程集成電路設計與封裝技術等課程的基礎。 編寫教師簽名： 責任教授簽名： 開課學院教學副院長簽名： Fundamentals of Semiconductor Physics and DevicesCourse code: 100093101Course name: Fundamentals of Semiconductor Physics and DevicesLecture Hours:72Laboratory Hours:0Credits:4.5Pr

24、erequisite(s): a)Mathematical analysis, Engineering Mathematics, General college physics and introduction to modern Physics b) Mathematical Methods of PhysicsCourse Description:The purpose of this course is to provide a basis for understanding the characteristics, operation, and limitations of semic

25、onductor devices. In order to gain this understanding, it is essential to have a thorough knowledge of the physics of the semiconductor material. The goal of this course is to bring together the fundamental physics of the semiconductor material and the semiconductor device physics.This course is int

26、ended for junior and senior undergraduates in electrical engineering. The prerequisites for understanding the material are college mathematics, up to and including differential equations, and college physics, including an introduction to modern physics and electrostatics. Prior completion of an intr

27、oductory course in in electronic circuits is helpful, but not essential.Course Outcomes:After completing this course, a student should be able to:Developed a basic understanding for the characteristics, operation, and limitations of semiconductor devices.Developed a basic understanding for the chara

28、cteristic of semiconductor material.Developed a basic understanding for the semiconductor devices physics.Developed a basic ability to estimate the general characteristics of semiconductor device.Developed a basic ability to design a semiconductor device that is in view of special utilization.Course

29、 Content:Lectures and Lecture Hours: 0 Introductions 2 The purpose of this course and the main contains of this course1 The Crystal of Solids31.1 Semiconductor Material1.2 Types of Solids1.3 Space Lattices 1.4 Atomic Bonding 1.5 imperfections and Impurities in Solids1.6 Growth of Semiconductor Mater

30、ials1.7 Devices Fabrication TechniquesSummary2 Theory of Solids102.1 Principles of Quantum Mechanics2.2 Energy Quantization and Probability Concepts2.3 Energy-Band Theory2.4 Density of States Function2.5 Statistical MechanicsSummary3 The semiconductor in Equilibrium 53.1 Charge Carriers in Semicondu

31、ctors3.2 Dopant Atoms and Energy Levels3.3 Carrier Distributions in the Extrinsic Semiconductor3.4 Statistics of Donors and Acceptors3.5 Carrier ConcentrationsEffects of Doping3.6 Position of Fermi Energy LevelEfects of Doping and Temperature3.7 Device Fabrication Technology: Diffusion and Ion Impla

32、ntationSummary4 Carrier Transport and Excess Carrier Phenomena 54.1 Carrier Drift4.2 Carrier diffusion4.3 Graded Impurity4.4 Carrier Generation and Recombination4.5 The Hall EffectSummaryThe pn Junction and Metal-semiconductor Contact85.1 Basic Structure of the pn Junction5.2 The pn JunctionZero App

33、lication Bias5.3 The pn JunctionReverse Applied Bias5.4 Metal-Semiconductor ContactRectifying Junction5.5 Forward Applied BiasAn Introduction5.6 Metal-Semiconductor Ohmic Contact5.7 Nonuniformly Doped pn Junctions5.8 Device Fabrication TechniquesSummaryFundamentals of the Metal-Oxide-Semiconductor F

34、ield-Effect Transistor 66.1 The MOS Field-Effect Transistor Action6.2 The Two-Terminal MOS Capacitor6.3 Potential Differences in the MOS Capacitor6.4 Capacitance-Voltage Characteristics6.5 The Basic MOSFET Operation6.6 Small-Signal Equivalent Circuit and Frequency Limitation Factors6.7 Device Fabric

35、ation TechniquesSummary7 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: Additional Concepts67.1 MOSFET Scaling7.2 Nonideal Effects7.3 Threshhold Voltage Modifications7.4 Additional Electrical Characteristics7.5 Device Fabrication Techniques: Specialized DevicesSummary8 Nonequilibrium Excess Carriers in Semiconductors48.1 Carrier Generation and Recombination8.2 Analysis of Excess Carrier8.3 Ambipolar Transport8.4 Qusi-Fermi energy Levels8.5 Excess Carrier Lifetime8.6 Surface EffectsSummaryThe pn Junction and Schottk