半導體物理與器件(呂淑媛) 課程大綱

《半導體物理與器件課程大綱》一、課程信息1.課程編碼：DZ1300602.課程名稱：半導體物理與器件3.英文名稱：SemiconductorPhysicsandDevices4.適用專業(yè)：電子科學與技術5.學分：46.總學時：64二、課程說明（為什么要上該課程？）1.（包括半導體）---有效質(zhì)量等；通過量子態(tài)密度和費米狄拉克統(tǒng)計規(guī)律建立求解半導體載流子2.課程內(nèi)容的必要性：3.課程的能力培養(yǎng)該課程能培養(yǎng)學生運用半導體物理與器件的原理和方法對光電子領域的等三、課程目標與指標點課程指標點該課程培養(yǎng)畢業(yè)要求1和畢業(yè)要求2所要求的能力：畢業(yè)要求1：能夠運用數(shù)理知識、工程基礎和專業(yè)知識，解決光電子領域的復雜工程問題。畢業(yè)要求2：能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析光電子領域的的復雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。1214231-22-12-22-3指標點1-2：能夠針對一個光信息傳輸與處理系統(tǒng)或過程建立合適的數(shù)學模型，并利用恰當?shù)倪吔鐥l件結(jié)合計算機知識求解。2-1指標點2-2：能夠通過文獻查詢，合理分析、分解復雜工程問題，并進行表達、建模。指標點2-3：能運用工程基礎和專業(yè)基本原理，分析影響光信息傳輸與處理系統(tǒng)有效性、可靠性的可能因素，獲得有效結(jié)論。課程目標課程目標與指標點的關系課程目標1是畢業(yè)要求指標點1-2結(jié)合半導體物理課程中涉及建模和求解相關內(nèi)容而形成的，對應畢業(yè)要求指標點1-2。22-1結(jié)合課程中影響半導體器件性能參數(shù)的相2-1。32-22-2。42-32-3。四、教學內(nèi)容與要求（一） 晶體中電子的運動狀態(tài)（14學時）1.教學內(nèi)容及其必要性（1）1）1）針對固體的結(jié)構(gòu)，建立運用量子力學方法確定晶體中電子的運動狀態(tài)的模知識與能力要求知識要求掌握半導體材料的特性及分類；了解固體的分類，掌握晶格的基本結(jié)構(gòu)；掌握半導體材料晶胞結(jié)構(gòu)，掌握晶胞晶面的特性及描述方法；掌握量子力學的基本E-K關系的意義；掌握半導體能帶形成原理，掌握半導體參與導電的載流子種類及其特性，能力要求3.考核目標1．區(qū)分半導體材料；辨別原胞、晶胞；辨識和表達晶格結(jié)構(gòu)；計算原子體密度；畫晶面和確定晶面指數(shù)。能根據(jù)波函數(shù)判斷電子的運動狀態(tài)；能區(qū)分不同的量子態(tài)。能描述固體的能帶結(jié)構(gòu)，利用能帶判斷允帶是否能形成的宏觀電流，會（二）平衡半導體中的載流子濃度（12學時）教學內(nèi)容及其必要性1）量分布的狀態(tài)密度函數(shù)和載流子占據(jù)量子態(tài)的概率的費米分布函數(shù)這兩部分信息。（）1）介紹施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的概念，按溫度分區(qū)討論只含一種雜質(zhì)（施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)）的平衡半導體的載流子濃度。（２）計算補償半導體的平衡載流子濃度。（２）研究溫度和摻雜濃度如何影響費米能級位置，總結(jié)得出一個費米能級變化的一般規(guī)律。（1）給出簡并半導體和非簡并半導體的定義及判定方法，討論計算平衡簡并半導體載流子濃度的公式2.知識與能力要求得到半導體的導帶和價帶的量子態(tài)按能量分布的狀態(tài)密度函數(shù)和決定載流子占據(jù)量子態(tài)概率的費米-狄拉克分布函數(shù)。能分析并計算含一種施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的補償半導體的載流子濃度。分析影響半導體費米能級位置的兩個因素：溫度和摻雜濃度對其的影響規(guī)律。對于不滿足玻爾茲曼近似的半導體（簡并半導體）其的載流子濃度是本節(jié)課討論的主要內(nèi)容。能力要求k空間特點和第一章中得出導帶和價帶中的E-k關系，得出狀態(tài)密度函數(shù)的表達式，通過這個過程培養(yǎng)學生分析對分解后的問題進行表達、建模、正確描述系統(tǒng)解決方案的能力。通過直接給出的費米-狄拉克分布函數(shù)，學生通過在不同 情況下的試算，體會該函數(shù)呈現(xiàn)的規(guī)律及決定其結(jié)果的主要因素有條件下的玻爾茲曼近似培養(yǎng)學生識別和判斷該問題中的關鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，并進行有效分解和近似的能力。根據(jù)得出的導帶狀態(tài)密度函數(shù)和導帶的量子態(tài)被占據(jù)的概率及價帶狀態(tài)密在只含一種雜質(zhì)的載流子濃度的基礎上結(jié)合補償能將結(jié)果進行推廣的能力。能夠識別和判斷影響半導體費米能級的關鍵參數(shù)，并結(jié)合專業(yè)知識分析出各種具體條件下費米能級的變化規(guī)律；3．考核要求能演示費米能級在禁帶中不同位置（禁帶中央、禁帶上部和禁帶下部）n0p0本征半導體的定義并總結(jié)本征載流子濃度的特點及其變化規(guī)律。能根據(jù)具體給定的條件，判斷雜質(zhì)的電離情況；要求學生能計算出課堂p型半導體在各個溫度區(qū)間的載流子濃度。能計算給定條件下補償半導體的載流子濃度根據(jù)給定的條件，判斷某半導體的費米能級位置能明確簡并半導體產(chǎn)生的背景，判斷的條件、具有的特征（相對非簡并半導體，能計算其載流子濃度；能解釋簡并半導體的禁帶變窄效應。（三）載流子的輸運（10學時）教學內(nèi)容（3）3）（3）2）2.知識與能力要求知識要求掌握漂移運動和擴散運動的定義；理解載流子散射和遷移率之間的關系；定量計算漂移電流和擴散電流。能力要求3.考核目標對半導體中載流子輸運的兩種機制內(nèi)涵的理解；對遷移率內(nèi)涵的理解以及處理與遷移率定量計算有關問題；漂移電流和擴散電流的定量計算。（四）過剩載流子（12學時）1.教學內(nèi)容（1）（復合）快慢程度的物理量；熱平衡及非熱平衡狀態(tài)下載流子產(chǎn)生率、復合率以及壽命之間的關系。（1）1）內(nèi)建電場會使過剩電子和過?？昭óa(chǎn)生吸引力，導致它們緊密地聯(lián)系在一起（3）2.知識與能力要求知識要求理解載流子產(chǎn)生和復合的物理過程；掌握熱平衡狀態(tài)下以及非熱平衡狀態(tài)下產(chǎn)生率、復合率及壽命之間的關系；理解準費米能級的物理內(nèi)涵。能力要求3.考核目標對載流子準費米能級的理解。載流子濃度隨時間、空間的變化情況。（五）PN結(jié)（12學時）教學內(nèi)容PN（2）PN結(jié)是很多半導體器件的核心，了解不同PN的形物理結(jié)構(gòu)、制作方法，掌握不同PN結(jié)內(nèi)的雜質(zhì)分布情況，為分析PN的性能特點提供基礎。PN（3）PNPN結(jié)結(jié)區(qū)電荷分布特點，及結(jié)區(qū)特性；根據(jù)結(jié)區(qū)電PNPN的結(jié)參數(shù)提供物理模型。（4）PN的結(jié)區(qū)電荷分布，結(jié)合熱平衡半導體的載流子及費米能級之PNPN結(jié)4）PNPNPN結(jié)二極管的電流-電壓關系，分析影響實際PN結(jié)二極管電流的因素。以訓練學生分析問題、建模求解、總結(jié)結(jié)果的能力。PN結(jié)4）PN的結(jié)構(gòu)的結(jié)區(qū)變化、能帶結(jié)夠等結(jié)參數(shù)的變化，定性分PN二極管的電流-PN（4）PN結(jié)的形成過程和空點電荷分布特點，分析在正偏和反偏情況下空間PN（4）PNPNPN結(jié)的擊穿機理具有一定PNPN結(jié)三種不同的擊穿機理。2.知識與能力要求知識要求PPNpn結(jié)的物理模型，掌握電流電壓關系的推導PN結(jié)二極管電壓電流關系求解中的應用；掌握小信號模型的其等效電路。能力要求能利用載流子在半導體的擴散運動和漂移運動原理解釋PN結(jié)的形成過程PNPN內(nèi)建電PN結(jié)結(jié)區(qū)的電勢能，計PNPN結(jié)的能帶圖；利用能帶理論PNPN結(jié)二極管電流假設，能精確求PNPN結(jié)的電容效應。3.考核目標PN結(jié)形成物理過程PN結(jié)的能帶圖PN結(jié)結(jié)參數(shù)的計算PN結(jié)結(jié)電流及電容的計算（六）金屬半導體接觸與異質(zhì)結(jié)（4學時）教學內(nèi)容及其必要性（3）-（4）在定性分析基礎上實現(xiàn)定量求解器件的電壓電流特性。2.知識要求和能力要求知識要求按照異質(zhì)結(jié)幾種常用標準下的分類并討論每類異質(zhì)結(jié)的能帶圖及其細節(jié)。以pn結(jié)的相關分析為基礎，得出異質(zhì)結(jié)在平衡狀態(tài)下電勢、電場和勢壘區(qū)寬度的計算公式，對突變反型異質(zhì)結(jié)采用相應模型得出其電流-電壓特性方程。能力要求能敘述異質(zhì)結(jié)的概念，辨別不同類異質(zhì)結(jié)，總結(jié)出異質(zhì)結(jié)能帶圖的規(guī)律。在pn結(jié)的基礎上，面對由不同禁帶寬度的兩種材料形成的異質(zhì)結(jié)中涌現(xiàn)出的新問題，培養(yǎng)學生找出兩類問題相同點和不同之處和分析問題解決問題的能-3．考核要求能根據(jù)實際中給出的形成異質(zhì)結(jié)的兩種物質(zhì)畫出其能帶圖．五、教學考核方式和要求教學考核要能反映課程目標的達成情況，教學目標的考核方式和內(nèi)容圍繞考核的目的是客觀反映學生的學習成果，反映學生在該課程中的能力達成情況?？己顺煽兪菍W生在該課程中的能力達成情況的綜合評價。教學考核方式該課程的考核成績=過程考核成績x30%+考試成績x70%。教學考核要求過程考核要求根據(jù)課程內(nèi)容和知識能力要求設置書面作業(yè)和課堂測試與討論等環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)的成績占比根據(jù)能力要求進行設計，并對各環(huán)節(jié)的考核成績按課程目標（或畢業(yè)要求指標點）分別記錄，以便作為課程目標考核的數(shù)據(jù)來使用。考試考核要求考試內(nèi)容應能包括所有課程目標，并恰當選擇相關內(nèi)容進行考核。考試內(nèi)容和題型應能考查學生運用知識分析和解決問題的能力。考試成績應按課程目標（或畢業(yè)要求指標點）分別記錄，以便作為課程目標考核的數(shù)據(jù)來使用。六、課程目標達成情況評價1.課程目標達成情況評價方法該課程按課程目標（或畢業(yè)要求指標點）分別評價其達成情況，采用考核