半導(dǎo)體物理與器件(呂淑媛) 課程大綱

《半導(dǎo)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(dǎo)體物理與器件3.英文名稱：SemiconductorPhysicsandDevices4.適用專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)5.學(xué)分：46.總學(xué)時(shí)：64二、課程說明（為什么要上該課程？）1.（包括半導(dǎo)體）---有效質(zhì)量等；通過量子態(tài)密度和費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立求解半導(dǎo)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(xué)生運(yùn)用半導(dǎo)體物理與器件的原理和方法對光電子領(lǐng)域的等三、課程目標(biāo)與指標(biāo)點(diǎn)課程指標(biāo)點(diǎn)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(yùn)用數(shù)理知識、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，解決光電子領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。畢業(yè)要求2：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析光電子領(lǐng)域的的復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。1214231-22-12-22-3指標(biāo)點(diǎn)1-2：能夠針對一個(gè)光信息傳輸與處理系統(tǒng)或過程建立合適的數(shù)學(xué)模型，并利用恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件結(jié)合計(jì)算機(jī)知識求解。2-1指標(biāo)點(diǎn)2-2：能夠通過文獻(xiàn)查詢，合理分析、分解復(fù)雜工程問題，并進(jìn)行表達(dá)、建模。指標(biāo)點(diǎn)2-3：能運(yùn)用工程基礎(chǔ)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(biāo)課程目標(biāo)與指標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系課程目標(biāo)1是畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1-2結(jié)合半導(dǎo)體物理課程中涉及建模和求解相關(guān)內(nèi)容而形成的，對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1-2。22-1結(jié)合課程中影響半導(dǎo)體器件性能參數(shù)的相2-1。32-22-2。42-32-3。四、教學(xué)內(nèi)容與要求（一） 晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（14學(xué)時(shí)）1.教學(xué)內(nèi)容及其必要性（1）1）1）針對固體的結(jié)構(gòu)，建立運(yùn)用量子力學(xué)方法確定晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模知識與能力要求知識要求掌握半導(dǎo)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(dǎo)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(xué)的基本E-K關(guān)系的意義；掌握半導(dǎo)體能帶形成原理，掌握半導(dǎo)體參與導(dǎo)電的載流子種類及其特性，能力要求3.考核目標(biāo)1．區(qū)分半導(dǎo)體材料；辨別原胞、晶胞；辨識和表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)；計(jì)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(yùn)動(dòng)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(huì)（二）平衡半導(dǎo)體中的載流子濃度（12學(xué)時(shí)）教學(xué)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(fèi)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(dǎo)體的載流子濃度。（２）計(jì)算補(bǔ)償半導(dǎo)體的平衡載流子濃度。（２）研究溫度和摻雜濃度如何影響費(fèi)米能級位置，總結(jié)得出一個(gè)費(fèi)米能級變化的一般規(guī)律。（1）給出簡并半導(dǎo)體和非簡并半導(dǎo)體的定義及判定方法，討論計(jì)算平衡簡并半導(dǎo)體載流子濃度的公式2.知識與能力要求得到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)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(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)。能分析并計(jì)算含一種施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的補(bǔ)償半導(dǎo)體的載流子濃度。分析影響半導(dǎo)體費(fèi)米能級位置的兩個(gè)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(dǎo)體（簡并半導(dǎo)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(diǎn)和第一章中得出導(dǎo)帶和價(jià)帶中的E-k關(guān)系，得出狀態(tài)密度函數(shù)的表達(dá)式，通過這個(gè)過程培養(yǎng)學(xué)生分析對分解后的問題進(jìn)行表達(dá)、建模、正確描述系統(tǒng)解決方案的能力。通過直接給出的費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)，學(xué)生通過在不同 情況下的試算，體會(huì)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(xué)生識別和判斷該問題中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，并進(jìn)行有效分解和近似的能力。根據(jù)得出的導(dǎo)帶狀態(tài)密度函數(shù)和導(dǎo)帶的量子態(tài)被占據(jù)的概率及價(jià)帶狀態(tài)密在只含一種雜質(zhì)的載流子濃度的基礎(chǔ)上結(jié)合補(bǔ)償能將結(jié)果進(jìn)行推廣的能力。能夠識別和判斷影響半導(dǎo)體費(fèi)米能級的關(guān)鍵參數(shù)，并結(jié)合專業(yè)知識分析出各種具體條件下費(fèi)米能級的變化規(guī)律；3．考核要求能演示費(fèi)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(dǎo)體的定義并總結(jié)本征載流子濃度的特點(diǎn)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(xué)生能計(jì)算出課堂p型半導(dǎo)體在各個(gè)溫度區(qū)間的載流子濃度。能計(jì)算給定條件下補(bǔ)償半導(dǎo)體的載流子濃度根據(jù)給定的條件，判斷某半導(dǎo)體的費(fèi)米能級位置能明確簡并半導(dǎo)體產(chǎn)生的背景，判斷的條件、具有的特征（相對非簡并半導(dǎo)體，能計(jì)算其載流子濃度；能解釋簡并半導(dǎo)體的禁帶變窄效應(yīng)。（三）載流子的輸運(yùn)（10學(xué)時(shí)）教學(xué)內(nèi)容（3）3）（3）2）2.知識與能力要求知識要求掌握漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的定義；理解載流子散射和遷移率之間的關(guān)系；定量計(jì)算漂移電流和擴(kuò)散電流。能力要求3.考核目標(biāo)對半導(dǎo)體中載流子輸運(yùn)的兩種機(jī)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(jì)算有關(guān)問題；漂移電流和擴(kuò)散電流的定量計(jì)算。（四）過剩載流子（12學(xué)時(shí)）1.教學(xué)內(nèi)容（1）（復(fù)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(fù)合率以及壽命之間的關(guān)系。（1）1）內(nèi)建電場會(huì)使過剩電子和過?？昭óa(chǎn)生吸引力，導(dǎo)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(fù)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(fù)合率及壽命之間的關(guān)系；理解準(zhǔn)費(fèi)米能級的物理內(nèi)涵。能力要求3.考核目標(biāo)對載流子準(zhǔn)費(fèi)米能級的理解。載流子濃度隨時(shí)間、空間的變化情況。（五）PN結(jié)（12學(xué)時(shí)）教學(xué)內(nèi)容PN（2）PN結(jié)是很多半導(dǎo)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(diǎn)提供基礎(chǔ)。PN（3）PNPN結(jié)結(jié)區(qū)電荷分布特點(diǎn)，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(dǎo)體的載流子及費(fèi)米能級之PNPN結(jié)4）PNPNPN結(jié)二極管的電流-電壓關(guān)系，分析影響實(shí)際PN結(jié)二極管電流的因素。以訓(xùn)練學(xué)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(diǎn)電荷分布特點(diǎn)，分析在正偏和反偏情況下空間PN（4）PNPNPN結(jié)的擊穿機(jī)理具有一定PNPN結(jié)三種不同的擊穿機(jī)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(guān)系的推導(dǎo)PN結(jié)二極管電壓電流關(guān)系求解中的應(yīng)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(dǎo)體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)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(jì)PNPN結(jié)的能帶圖；利用能帶理論P(yáng)NPN結(jié)二極管電流假設(shè)，能精確求PNPN結(jié)的電容效應(yīng)。3.考核目標(biāo)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(jì)算PN結(jié)結(jié)電流及電容的計(jì)算（六）金屬半導(dǎo)體接觸與異質(zhì)結(jié)（4學(xué)時(shí)）教學(xué)內(nèi)容及其必要性（3）-（4）在定性分析基礎(chǔ)上實(shí)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(biāo)準(zhǔn)下的分類并討論每類異質(zhì)結(jié)的能帶圖及其細(xì)節(jié)。以pn結(jié)的相關(guān)分析為基礎(chǔ)，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(jì)算公式，對突變反型異質(zhì)結(jié)采用相應(yīng)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(chǔ)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(xué)生找出兩類問題相同點(diǎn)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(shí)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(xué)考核方式和要求教學(xué)考核要能反映課程目標(biāo)的達(dá)成情況，教學(xué)目標(biāo)的考核方式和內(nèi)容圍繞考核的目的是客觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，反映學(xué)生在該課程中的能力達(dá)成情況。考核成績是對學(xué)生在該課程中的能力達(dá)成情況的綜合評價(jià)。教學(xué)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(xué)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(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并對各環(huán)節(jié)的考核成績按課程目標(biāo)（或畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)）分別記錄，以便作為課程目標(biāo)考核的數(shù)據(jù)來使用。考試考核要求考試內(nèi)容應(yīng)能包括所有課程目標(biāo)，并恰當(dāng)選擇相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行考核?？荚噧?nèi)容和題型應(yīng)能考查學(xué)生運(yùn)用知識分析和解決問題的能力。考試成績應(yīng)按課程目標(biāo)（或畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)）分別記錄，以便作為課程目標(biāo)考核的數(shù)據(jù)來使用。六、課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)1.課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)方法該課程按課程目標(biāo)（或畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)）分別評價(jià)其達(dá)成情況，采用考核