《半導(dǎo)體物理與器件》課程教學(xué)大綱

《半導(dǎo)體物理與器件》課程教學(xué)大綱一、課程基本概況課程中文名稱半導(dǎo)體物理與器件課程英文名稱SemiconductorPhysicsandDevices課程編號(hào)19131311課程類(lèi)別□公共必修課□公選課□院級(jí)限選課□學(xué)科基礎(chǔ)課■專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課□專(zhuān)業(yè)限選課□專(zhuān)業(yè)任選（拓展）課□方向特色課（雙百班課程）總學(xué)時(shí)48講授學(xué)時(shí)48實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)0總學(xué)分3開(kāi)課學(xué)院（部）理學(xué)院開(kāi)課系（室）物理與光電科學(xué)系授課對(duì)象電子科學(xué)與技術(shù)本科生先修課程《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》、《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》、《數(shù)學(xué)物理方法》二、課程簡(jiǎn)介半導(dǎo)體物理與器件是電子科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。由于課程體系中沒(méi)有包含固體物理課程，所以該課程主要包括三部分內(nèi)容：固體物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)和半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。第一部分是基礎(chǔ)物理，包括固體晶格結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)和固體物理；第二部分是半導(dǎo)體材料物理，主要討論平衡態(tài)和非平衡態(tài)半導(dǎo)體以及載流子輸運(yùn)現(xiàn)象；第三部分是半導(dǎo)體器件物理，主要討論同質(zhì)pn結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、異質(zhì)結(jié)以及雙極晶體管、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。它是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。三、課程教學(xué)總體目標(biāo)該課程要求學(xué)生在固體物理、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件三方面建立起較好的唯像模型:能較好的理解能帶模型；理解平衡態(tài)和非平衡態(tài)半導(dǎo)體及載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象；理解PN節(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件的工作原理。為學(xué)好光電器件和傳感器件的相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、理論教學(xué)內(nèi)容及要求第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)；（2）理解：能帶唯像模型和載流子的輸運(yùn)過(guò)程；（3）掌握:能帶的形成和能帶有關(guān)基本概念；載流子的統(tǒng)計(jì)分布；載流子的輸運(yùn)模型，并用它解決電導(dǎo)率計(jì)算等問(wèn)題?！緦W(xué)時(shí)分配】12學(xué)時(shí)?！臼谡n方式】講授12學(xué)時(shí)?！臼谡n內(nèi)容】1.1晶體結(jié)構(gòu)

1.1.1基元、點(diǎn)陣和晶格

1.1.2原胞、基矢、晶向和晶面

1.1.3倒格子和倒格子空間

1.2能帶結(jié)構(gòu)

1.2.1能帶的形成

1.2.2鍺、硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)

1.2.3絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體

1.2.4本征半導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子、空穴

1.3半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布

1.3.1狀態(tài)密度

1.3.2費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律和費(fèi)米分布

1.3.3電子濃度、空穴濃度、玻爾茲曼分布和本征載流子濃度

1.3.4雜質(zhì)半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度、費(fèi)米能級(jí)

1.3.5平衡態(tài)系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)

1.4載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

1.4.1散射與有效質(zhì)量

1.4.2遷移率

1.4.3電導(dǎo)率、電阻率、歐姆定律和薄層電阻

1.5載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

1.5.1擴(kuò)散電流密度

1.5.2電流密度方程

1.5.3雜質(zhì)濃度梯度及其感生電場(chǎng)

1.6非平衡載流子

1.6.1載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、非平衡載流子

1.6.2非平衡載流子的復(fù)合、非平衡載流子壽命

1.6.3間接復(fù)合理論

1.6.4準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

1.6.5連續(xù)性方程

1.7半導(dǎo)體基本方程

1.7.1基本方程

1.7.2泊松方程

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】（1）重點(diǎn)：能帶模型;載流子的輸運(yùn)（2）難點(diǎn)：載流子與能帶模型的關(guān)系【授課方法與手段】（可根據(jù)需要填寫(xiě)）（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂提問(wèn)。（2）教學(xué)手段：PPT與黑板板書(shū)并用?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】必須有適量作業(yè)與思考題第二章PN結(jié)【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：PN結(jié)的形成和PN結(jié)載流子的輸運(yùn)（2）理解：PN結(jié)的形成及其附近載流子分布；PN結(jié)的特性（3）掌握：PN結(jié)的直流特性和部分交流特性；PN結(jié)的開(kāi)關(guān)特性和擊穿【學(xué)時(shí)分配】12學(xué)時(shí)?！臼谡n方式】講授12學(xué)時(shí)?！臼谡n內(nèi)容】2.1pn結(jié)的形成及其基本特性

2.2pn結(jié)空間電荷區(qū)基本特性的進(jìn)一步討論

2.2.1平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布

2.2.2非平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布

2.2.3pn結(jié)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布

2.3pn結(jié)的直流特性

2.3.1非平衡pn結(jié)擴(kuò)散區(qū)的載流子分布和擴(kuò)散電流

2.3.2pn結(jié)的勢(shì)壘復(fù)合電流和產(chǎn)生電流

2.3.3正偏pn結(jié)的大注入效應(yīng)

2.4pn結(jié)的耗盡層電容

2.5pn結(jié)的小信號(hào)交流特性

2.5.1pn結(jié)的擴(kuò)散電容

2.5.2pn結(jié)的交流參數(shù)和等效電路

2.6pn結(jié)的開(kāi)關(guān)特性

2.7pn結(jié)的擊穿

2.7.1擊穿機(jī)理概述

2.7.2雪崩擊穿條件

2.7.3雪崩擊穿電壓的計(jì)算

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】（1）重點(diǎn)：PN結(jié)的形成和PN結(jié)載流子的輸運(yùn)。（2）難點(diǎn)：PN結(jié)的開(kāi)關(guān)特性?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂提問(wèn)。（2）教學(xué)手段：PPT講授與黑板板書(shū)結(jié)合?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】必須有適量作業(yè)與思考題第三章雙極型晶體管【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)及其載流子輸運(yùn)過(guò)程。（2）理解：雙極型晶體管的電流放大系數(shù)。（3）掌握：雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)與參數(shù)之間的關(guān)系?！緦W(xué)時(shí)分配】8學(xué)時(shí)。【授課方式】講授8學(xué)時(shí)。【授課內(nèi)容】3.1雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)

3.2雙極型晶體管內(nèi)載流子的輸運(yùn)過(guò)程

3.3雙極型晶體管的電流放大系數(shù)

3.3.1均勻基區(qū)晶體管電流增益因子的簡(jiǎn)化推導(dǎo)

3.3.2均勻基區(qū)晶體管電流增益因子的數(shù)學(xué)推導(dǎo)（略）

3.3.3緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)

3.3.4發(fā)射區(qū)重?fù)诫s條件下的禁帶變窄效應(yīng)

3.3.5大注入效應(yīng)

3.4晶體管的直流特性

3.4.1晶體管的電流電壓方程

3.4.2晶體管的擊穿電壓

3.4.3縱向基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)

3.4.4發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

3.4.5晶體管的安全工作區(qū)

3.5雙極型晶體管的頻率特性

3.5.1雙極型晶體管頻率特性概述

3.5.2延遲時(shí)間的計(jì)算（略）

3.5.3晶體管電流放大系數(shù)的頻率特性

3.5.4晶體管的高頻等效電路和最高振蕩頻率（略）

3.6雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性（略）

3.6.1晶體管工作區(qū)域的劃分及其飽和工作狀態(tài)（略）

3.6.2晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程（略）

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】（1）重點(diǎn)：雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)及其電流放大系數(shù)。（2）難點(diǎn)：雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)與參數(shù)之間的關(guān)系?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂提問(wèn)。（2）教學(xué)手段：PPT與黑板板書(shū)相結(jié)合。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】必須有適量作業(yè)與思考題第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)；MOSFET縮比理論。（2）理解：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。（3）掌握：場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系?！緦W(xué)時(shí)分配】8學(xué)時(shí)。【授課方式】講授8學(xué)時(shí)?！臼谡n內(nèi)容】4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

4.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理

4.1.2JFET的電流電壓方程

4.1.3JFET的直流參數(shù)和頻率參數(shù)

4.1.4JFET的短溝道效應(yīng)

4.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

4.2.1半導(dǎo)體表面的特性和理想M0S結(jié)構(gòu)

4.2.2MOSFET結(jié)構(gòu)及其工作原理

4.2.3MOSFET的閾值電壓

4.2.4MOSFET的電流電壓關(guān)系

4.2.5MOSFET的亞閾區(qū)導(dǎo)電（略）

4.2.6MOSFET的擊穿電壓

4.2.7MOSFET的高頻等效電路和頻率特性（略）

4.2.8MOSFET的短溝道效應(yīng)

4.2.9MOSFET閾值電壓的調(diào)整

4.2.10MOSFET的縮比理論

4.2.11熱電子效應(yīng)和輻射效應(yīng)（略）

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】（1）重點(diǎn)：兩種場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。（2）難點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂提問(wèn)。（2）教學(xué)手段：PPT與黑板板書(shū)形式?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】必須有適量作業(yè)與思考題第五章金屬-半導(dǎo)體接觸和異質(zhì)結(jié)【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：金屬與半導(dǎo)體接觸的基本特性。（2）理解：形成歐姆接觸或整流接觸的條件和原因。（3）掌握：金屬與半導(dǎo)體接觸的電流電壓關(guān)系?！緦W(xué)時(shí)分配】8學(xué)時(shí)。【授課方式】講授8學(xué)時(shí)?！臼谡n內(nèi)容】5.1金屬-半導(dǎo)體接觸

5.1.1理想金屬一半導(dǎo)體接觸

5.1.2非理想效應(yīng)

5.1.3金屬-半導(dǎo)體接觸的電流電壓關(guān)系

5.1.4歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)方法

5.2異質(zhì)結(jié)

5.2.1異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5.2.2異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫(huà)法

5.2.3異質(zhì)結(jié)的基本特性

5.2.4同型異質(zhì)結(jié)

5.3應(yīng)變異質(zhì)結(jié)（略）

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】（1）重點(diǎn)：形成歐姆接觸或整流接觸的條件和原因。（2）難點(diǎn)：異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫(huà)法。【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂提問(wèn)。（2）教學(xué)手段：PPT與黑板板書(shū)形式相結(jié)合?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】必須有適量作業(yè)與思考題六、課程考核及成績(jī)?cè)u(píng)定要求請(qǐng)分別按以下要求撰寫(xiě)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核內(nèi)容，描述理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核占總成績(jī)的比例。1．課程考核依據(jù)：以上課期間講授的知識(shí)為主要考點(diǎn)，考試題目從專(zhuān)業(yè)題庫(kù)中選取。2．課程考核性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課3．具體的考核方式：課程為考試課，期末考試采用閉卷考試的形式。3．成績(jī)?cè)u(píng)定：成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成