半導體物理教學大綱

《半導體物理》教學大綱課程名稱：半導體物理學英文名稱：SemiconductorPhysics課程編號：課程類別：專業(yè)選修課使用對象：應用物理、電信專業(yè)本科生總學時：48學分：3先修課程：熱力學與統(tǒng)計物理學；量子力學；固體物理學

使用教材：《半導體物理學》劉恩科等主編，電子工業(yè)出版社出版一、課程性質、目的和任務本課程是高等學校應用物理專業(yè)、電子與信息專業(yè)本科生的專業(yè)選修課。本課程的目的和任務是：通過本課程的學習使學生獲得半導體物理方面的基本理論、基本知識和辦法。通過本課程的學習要為應用物理與電信專業(yè)本科生的半導體集成電路、激光原理與器件、功效材料等后續(xù)課程的學習奠定必要的理論基礎二、教學內容及規(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，晶體半導體的基本知識和性質的敘述；第6～9章歸結為半導體的接觸現(xiàn)象；第10～12章，半導體的多個特殊效應；第13章，非晶態(tài)半導體。

全部課堂教學為48學時，對上述內容作了必要的精簡。10～13章全部不在課堂講授，留給學生自學或參考，其它各章的內容也作了部分柵減。具體內容和規(guī)定以下：第1章

半導體中的電子狀態(tài)半導體的晶格構造和結合性質半導體中的電子狀態(tài)和能帶半導體中電子的運動

有效質量本征半導體的導電機構

空穴回旋共振硅和鍺的能帶構造III-V族化合物半導體的能帶構造II-VI族化合物半導體的能帶構造Si1-xGex合金的能帶寬禁帶半導體材料基本規(guī)定：將固體物理的晶體構造和能帶論的知識應用到半導體中，以進一步理解半導體中的電子狀態(tài)；明確回旋共振實驗的目的、意義和原理，進而理解重要半導體材料的能帶構造。（限于學時，本章的第7-10節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：半導體中的電子運動；有效質量；空穴概念。難點：能帶論的定性描述和理解；鍺、硅、砷化鎵能帶構造第2章

半導體中雜質和缺點能級硅、鍺晶體中的雜質能級III-V族化合物中的雜質能級氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質能級缺點、位錯能級基本規(guī)定：根據不同雜質在半導體禁帶中引入能級的狀況，理解其性質和作用，由其分清淺雜質能級（施主和受主）和深能級雜質的性質和作用；理解缺點、位錯能級的特點和作用。（限于學時，本章的第3節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：雜質類型；施主雜質，施主能級，受主雜質，受主能級等概念；淺能級雜質，深能級雜質；雜質賠償作用。難點：雜質能級；雜質電離的過程第3章

半導體中載流子的統(tǒng)計分布狀態(tài)密度費米能級和載流子的統(tǒng)計分布本征半導體的載流子濃度雜質半導體的載流子濃度普通狀況下的載流子統(tǒng)計分布簡并半導體電子占據雜質能級的概率基本規(guī)定：

通過本章的學習，應純熟掌握課本中所闡明的基本概念和多個關系，能順利導出有關重要基本公式，精確計算在多個不同雜質濃度和溫下的費米能級位置和載流子濃度，從而對半導體性質有更進一步的理解。（限于學時，本章的第7節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：波矢空間的量子態(tài)的分布；半導體導帶底，價帶頂附近的狀態(tài)密度計算；費米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及其物理意義；本征半導體，雜質半導體載流子濃度的計算．

難點：半導體導帶底，價帶頂附近的狀態(tài)密度計算；費米能級和載流子的統(tǒng)計分布；雜質半導體載流子濃度的計算第4章

半導體的導電性載流子的漂移運動和遷移率載流子的散射遷移率與雜質濃度和溫度的關系電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系玻耳茲曼方程、電導率的統(tǒng)計理論強電場下的效應、熱載流子多能谷散射、耿氏效應基本規(guī)定：通過學習應理解幾個重要散射機構的機理、散射幾率與雜質濃度及溫度的關系，從而明確遷移率、電導率、電阻率與雜質濃度及溫度的關系。最后以半導體在強電場下的效應及耿氏效應進行定性解釋。（限于學時，本章的第5、6、7節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：電導率、遷移率概念及互有關系；遷移率、電阻率隨溫度和雜質濃度的變化規(guī)律；強電場效應難點：載流子的散射機構；電導率與遷移率的關系；強電場效應；熱載流子

第5章

非平衡載流子非平衡載流子的注入與復合非平衡載流子的壽命準費米能級復合理論陷阱效應載流子的擴散運動載流子的漂移運動，愛因斯坦關系式持續(xù)性方程式硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度基本規(guī)定：在理解本章多個基本要領的基礎上，應牢固掌握非平衡載流子的產生、復合、擴散等運動規(guī)律，并對總結出來的電流密度方程和持續(xù)性方程有進一步的理解和靈活應用。（限于學時，本章的第9節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：非平衡載流子的產生、復合；非平衡載流子壽命；載流子的擴散和漂移運動；持續(xù)性方程運用難點：復合理論；愛因斯坦關系；持續(xù)性方程的應用pn結pn結及其能帶圖pn結電流電壓特性pn結電容pn結擊穿pn結隧道效應基本規(guī)定：理解pn結的物理特性以及能帶圖，掌握pn結接觸電勢差的計算，理解pn結的電流電壓pn結電容的意義和計算，理解pn結的擊穿機制和隧道效應重點：空間電荷區(qū)、pn結接觸電勢差、載流子分布、電流電壓特性、結電容、擊穿機制、隧道效應難點：電流電壓特性、結電容第7章

金屬和半導體的接觸金屬半導體接觸及其能級圖金屬半導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：通過本章學習，應對抱負和實際的金—半接觸能帶圖應進一步理解，在此基礎上，對其電流傳輸理論的幾個模型建立，應用和推導要有所理解，并掌握實現(xiàn)良好歐姆接觸和整流接觸的原理和辦法。重點：金屬和半導體接觸的能帶彎曲過程分析及簡圖畫法難點：金屬和半導體接觸的能帶彎曲過程分析，熱電子發(fā)射理論第8章

半導體表面與MIS構造表面態(tài)表面電場效應MIS構造的電容—電壓特性硅—二氧化硅系統(tǒng)的性質表面電導及遷移率表面電導對pn結特性的影響基本規(guī)定：通過學習，在認識表面狀態(tài)的基礎上，對抱負MIS構造的表面電場效應、電容電壓特性有深刻理解，對實際MIS構造中出現(xiàn)的多個狀況進行分析，并與抱負C-V特性相比較，從而明確如何用C-V法來理解半導體的表面狀況，進而對使用最多的Si-SiO2系統(tǒng)的性質有具體的理解。（限于學時，本章的第5、6節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：半導體表面電場效應，MIS構造的電容一電壓特性難點：硅－二氧化硅系統(tǒng)的性質第9章

異質結半導體異質結及其能帶圖半導體異質pn結的電流電壓特性及注入特性半導體異質節(jié)量子阱構造及其電子能態(tài)與特性半導體應變異質構造GaN基半導體異質構造半導體超晶格基本規(guī)定：通過學習應純熟掌握多個抱負異質結能帶圖的畫法，理解異質結幾個電流傳輸模型和重要應用，并對半導體超晶格材料有初步理解。（限于學時，本章的第3-6節(jié)可不講授，留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：抱負異質結能帶圖的畫法難點：異質結能帶圖的畫法第10章

半導體的光學性質和光電與發(fā)光現(xiàn)象半導體的光學常數(shù)半導體的光吸取半導體的光電導半導體的光生伏特效應半導體發(fā)光半導體激光半導體異質結在光電子器件中的應用基本規(guī)定：半導體的光學性質及光電效應，是半導體特殊效應中最重要的，通過對其性質和機理的研究，不僅可發(fā)展多個光敏器件、光電池發(fā)光管和激光器等，并且還能夠理解半導體本身的許多性質。（限于學時，本章可根據需要與可能選擇講述）。重點：半導體的光吸取及發(fā)光現(xiàn)象，半導體光電導、光生伏特效應、半導體激光難點：光電導效應；電致發(fā)光機構第11章半導體的熱電性質熱電效應的普通描述半導體的溫差電動勢率半導體的珀爾帖效應半導體的湯姆遜效應半導體的熱導率半導體熱電效應的應用基本規(guī)定：理解半導體的熱電效應的種類、應用和物理機制，掌握半導體溫差電動勢率的計算和影響因素。（限于學時，本章留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、溫差電動勢率、熱導率難點：溫差電動勢率第12章

半導體磁和壓阻效應

1.

霍耳效應

2.

磁阻效應

3.

磁光效應

4.

量子化霍耳效應

5.

熱磁效應

6.

光磁電效應

7.

壓阻效應

基本規(guī)定：理解半導體霍爾效應、磁阻效應、磁光效應、量子化霍爾效應、熱磁效應、光生伏特效應、壓阻效應的物理機制和應用。（限于學時，本章留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：霍爾效應、磁阻效應、磁光效應、量子化霍爾效應、熱磁效應、光生伏特效應、壓阻效應難點：量子化霍爾效應第13章非晶半導體非晶半導體的構造非晶半導體中的電子態(tài)非晶半導體中的缺點、隙態(tài)與摻雜效應非晶半導體中的電學性質非晶半導體中的光學性質α–Si:H的pn結余金屬-半導體接觸特性基本規(guī)定：理解非晶半導體的能帶構造的特點，理解非晶半導體的遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應的物理意義，掌握非晶半導體光學與電學性質的特點以及應用。（限于學時，本章留學生參閱，不作具體規(guī)定）。重點：非晶半導體的能帶、遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應、非晶半導體的導電機制和光電導難點：非晶半導體的遷移率邊、隙態(tài)與摻雜效應三、教學日歷專業(yè)名稱：物理學院課堂教學時數(shù)：48周次教學內容時數(shù)教學方式1半導體中的電子狀態(tài)半導體的晶格構造和結合性質2講授半導體中的電子狀態(tài)和能帶半導體中電子的運動有效質量2講授2本征半導體的導電機構空穴回旋共振2講授3硅和鍺的能帶構造*Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶構造*Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體的能帶構造*Si1-xGex合金的能帶*寬禁帶半導體材料2講授半導體中雜質和缺點能級硅、鍺晶體中的雜質能級Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質能級*氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質能級2講授4缺點、位錯能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布狀態(tài)密度2講授5費米能級和載流子的統(tǒng)計分布本征半導體的載流子濃度2講授雜質半導體的載流子濃度普通狀況下的載流子統(tǒng)計分布2講授6簡并半導體*電子占據雜質能級的概率2講授7半導體的導電性載流子的飄移運動和遷移率載流子的散射2講授遷移率與雜質雜質濃度和溫度的關系電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系*波爾茲曼方程、電導率的統(tǒng)計理論強電場下的效應、熱載流子*多能谷散射、耿氏效應2講授8非平衡載流子非平衡載流子的注入與復合非平衡載流子的壽命2講授9準費米能級復合理論2講授陷阱效應載流子的擴散運動2講授10載流子的漂移擴散，愛因斯坦關系式持續(xù)性方程式*硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度2講授11pn結pn結及其能帶圖2講授pn結電流電壓特性pn結電容2講授12pn結擊穿金屬和半導體的接觸金屬盒半導體接觸及其能級圖2講授13金屬半導體接觸整流理論少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸2講授半導體表面與MIS構造表面態(tài)表面電場效應2講授14MIS構造的C-V特性硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質2講授15表面電導及遷移率*表面電場對pn結特性的影響異質結半導體異質結及其能帶圖2講授半導體異質pn結的電流電壓特性及注入特性*半導體異質節(jié)量子阱構造及其電子能態(tài)與特性*半導體應變異質構造*GaN基半導體異質構造*半導體超晶格2講授16習題討論與復習課2討論*內容為選講內容。四、參考資料1、《半導體物理》，作者：錢佑華，徐至中，高等教育出版社

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

KwokK.Ng著，西安交通大學出版社

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

本書專為碩士教材和參考所需設計，新版本涉及：以最新進展進行了全方面更新；涉及了對三維MOSFET、MODFET、共振隧穿二極管、半導體傳感器、量子級聯(lián)激光器、單電子晶體管、實空間轉移器件等新型器件的敘述；對內容進行了重新組織和安排；各章背面配備了習題；重新高質量地制作了書中的全部插圖。

《半導體器件物理》(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今應用中最為重要的半導體器件的基礎知識，對預測將來器件性能和局限性提供了良好的基礎。3、《SemiconductorPhysicsandDevices:BasicPrinciples》3rdEd.半導體物理與器件--基本原理(第3版)作者：(美)DonaldA.Neamen清華大學出版社

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

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