半导体物理学课程教学大纲

半导体物理学课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体物理学 所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向） 课程性质：专业课 学 分：4学分（二）课程简介、目标与任务： 半导体物理学是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接： 本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。通过本课程的学习为后继半导体器件、晶体管原理等课程的学习奠定基础。（四）教材与主要参考书：1刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第7版）M. 北京：电子工业出版社. 2011.2黄昆,谢希德. 半导体物理学M. 北京：科学出版社. 2012.3叶良修.半导体物理学（第2版）M. 上册. 北京：高等教育出版社. 2007.4S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.), Wiley, New York, 2006.二、课程内容与安排第一章 半导体中的电子状态第一节 半导体的晶格结构和结合性质第二节 半导体中的电子状态和能带第三节 半导体中电子的运动 有效质量第四节 本征半导体的导电机构 空穴第五节 回旋共振第六节 硅和锗的能带结构第七节 III-V族化合物半导体的能带结构第八节 II-VI族化合物半导体的能带结构第九节 Si1-xGex合金的能带第十节 宽禁带半导体材料（一）教学方法与学时分配 课堂讲授，大约8-10学时。限于学时，第8-10节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章将先修课程固体物理学中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。本章的重点包括单电子近似，半导体的导带、价带、禁带及其宽度，有效质量，空穴，硅、砷化镓的能带结构。难点为能带论，硅、砷化镓能带结构，有效质量。第二章 半导体中杂质和缺陷能级第一节 硅、锗晶体中的杂质能级第二节 III-V族化合物中的杂质能级第三节 氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级第四节 缺陷、位错能级（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约3-4学时。限于学时，第3节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章主要介绍在常见半导体的禁带中引入杂质和缺陷能级的实验观测结果。要求学生根据所引入的杂质能级情况，理解杂质的性质和作用，分清浅能级杂质和深能级杂质；重点掌握施主杂质和n型半导体、受主杂质和p型半导体的概念；掌握杂质电离、电离能、杂质补偿、杂质浓度的概念，了解缺陷、位错能级的特点和作用。本章的重点包括施主杂质和施主能级，受主杂质和受主能级，浅能级杂质和深能级杂质，n型半导体和p型半导体，杂质补偿作用等。难点为杂质能级，杂质电离过程。第三章 半导体中载流子的统计分布第一节 状态密度第二节 费米能级和载流子的统计分布第三节 本征半导体的载流子浓度第四节 杂质半导体的载流子浓度第五节 一般情况下的载流子统计分布第六节 简并半导体第七节 电子占据杂质能级的概率（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约8-10学时。限于学时，第7节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章主要讨论半导体中载流子浓度随温度的变化规律，解决如何计算一定温度下半导体中热平衡载流子浓度的问题。通过本章的学习，要求掌握状态密度、费米分布和玻尔兹曼分布、费米能级、导带和价带有效状态密度的概念；重点掌握应用电中性条件和电中性方程，推导本征半导体的载流子浓度，计算在各种不同杂质浓度和温度下杂质半导体的的费米能级位置和载流子浓度；掌握非简并半导体和简并半导体的概念以及简并化条件。本章重点包括波矢空间的量子态分布、半导体导带底、价带顶附近的状态密度计算，费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及其物理意义，本征半导体、杂质半导体载流子浓度的计算。难点为半导体导带底、价带顶附近的状态密度计算，费米能级和载流子的统计分布，杂质半导体载流子浓度的计算。第四章 半导体的导电性第一节 载流子的漂移运动和迁移率第二节 载流子的散射第三节 迁移率与杂质浓度和温度的关系第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系第五节 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论第六节 强电场下的效应、热载流子第七节 多能谷散射、耿氏效应（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约7-8学时。限于学时，第5节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率随温度和杂质浓度的变化规律。要求重点掌握迁移率的概念；掌握电离杂质散射、晶格振动散射的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系；掌握迁移率、电导率（电阻率）与杂质浓度及温度的关系；了解强电场效应以及砷化镓的负微分电导、耿氏效应。本章重点包括电导率、迁移率概念及相互关系，迁移率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，强电场效应。难点为载流子的散射机构，电导率与迁移率的关系，强电场效应。第五章 非平衡载流子第一节 非平衡载流子的注入与复合第二节 非平衡载流子的寿命第三节 准费米能级第四节 复合理论第五节 陷阱效应第六节 载流子的扩散运动第七节 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式第八节 连续性方程式第九节 硅的少数载流子寿命与扩散长度（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约10学时。限于学时，第9节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章主要讨论非平衡载流子的产生、复合及其运动规律。通过学习，要求掌握非平衡载流子的产生、寿命、复合及其复合机构，准费米能级，陷阱效应，载流子的漂移和扩散等概念；掌握非平衡载流子的复合理论；了解爱因斯坦关系；理解并灵活应用电流密度方程和连续性方程。本章重点包括非平衡载流子的产生、复合，非平衡载流子寿命，载流子的扩散和漂移运动，连续性方程运用等。难点为复合理论，爱因斯坦关系，连续性方程的应用。第六章 pn结第一节 pn结及其能带图第二节 pn结电流电压特性第三节 pn结电容第四节 pn结击穿第五节 pn结隧道效应（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约6-7学时。（二）内容及基本要求本章主要讨论pn结的性质。通过学习要求掌握pn结的物理特性、能带结构以及接触电势差的计算；掌握I-V特性、结电容的推导；了解pn结的击穿机制和隧道效应。本章重点包括空间电荷区，pn结接触电势差，载流子分布，I-V特性，结电容，击穿机制，隧道效应等。难点为I-V特性，结电容。第七章 金属和半导体的接触第一节 金属半导体接触及其能级图第二节 金属半导体接触整流理论第三节 少数载流子的注入和欧姆接触（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约3-4学时。（二）内容及基本要求本章主要讨论金属半导体接触。通过本章学习，要求掌握理想和实际的金-半接触的能带图；对其电流传输理论的几种模型的建立、表达式的推导和应用有所了解；掌握实现良好欧姆接触和整流接触的原理和方法。本章的重点包括金属和半导体接触的能带弯曲过程分析及简图画法。难点为金属和半导体接触的能带弯曲过程分析，热电子发射理论。第八章 半导体表面与MIS结构第一节 表面态第二节 表面电场效应第三节 MIS结构的C-V特性第四节 硅-二氧化硅系统的性质第五节 表面电导及迁移率第六节 表面电场对pn结特性的影响（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约4学时。限于学时，第5、6节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求本章主要讨论半导体的表面现象及其相关的理论，侧重于实际的半导体表面。通过学习，要求学生了解表面状态；掌握理想MIS结构的表面电场效应、电容电压特性；学会对实际MIS结构中出现的各种情况进行分析；掌握如何用C-V法来研究半导体的表面状况；了解Si-SiO2系统的性质。本章的重点包括半导体表面电场效应，MIS结构的C-V特性。难点为Si-SiO2系统的性质。第九章 半导体异质结构第一节 半导体异质结及其能带图第二节 半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性第三节 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性第四节 半导体应变异质结构第五节 GaN基半导体异质结构第六节 半导体超晶格（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约5-6学时。限于学时，第4-5节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求 本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的I-V特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能态等。通过学习要求学生重点掌握各种理想异质结能带结构及其画法；了解异质pn结的I-V特性和注入特性；了解异质结几种电流传输模型和重要应用；了解异质结的调制掺杂、高迁移率特性、二维电子气、应变异质结、半导体量子阱和超晶格在现代半导体器件中的应用。 本章的重点是理想异质结能带结构及其画法，半导体量子阱和超晶格结构的特性及其在现代半导体器件中的应用。难点为异质结能带图的画法。第十章 半导体的光学性质和光电与发光现象第一节 半导体的光学常数第二节 半导体的光吸收第三节 半导体的光电导第四节 半导体的光生伏特效应第五节 半导体发光第六节 半导体激光第七节 半导体异质结在光电子器件中的应用（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约7-8学时。限于学时，第6、7节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求 本章主要讨论光和半导体相互作用的一般规律，重点讨论光的吸收、光电导和发光等效应。通过学习，要求学生重点掌握半导体的光吸收和光电导特性；掌握光生伏特效应和太阳电池、半导体发光和LED的机理及其应用；了解各种光敏器件和半导体激光器等。 本章的重点包括半导体的光吸收及发光现象，半导体光电导，光生伏特效应，半导体激光等。难点为光电导效应，电致发光机构。第十一章 半导体的热电性质第一节 热电效应的一般描述第二节 半导体的温差电动势率第三节 半导体的珀尔帖效应第四节 半导体的汤姆逊效应第五节 半导体的热导率第六节 半导体热电效应的应用（一）教学方法与学时分配限于学时，本章可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求 本章主要讨论由温度梯度及电流同时存在时引起的现象，介绍产生这些现象的物理机理。通过学习，要求了解半导体的热电效应的种类、应用和物理机制；掌握半导体温差电动势率的计算和影响因素。 本章的重点包括塞贝克效应，珀尔帖效应，汤姆逊效应，开耳芬关系，温差电动势率和热导率。难点为温差电动势率。第十二章 半导体磁和压阻效应第一节 霍耳效应第二节 磁阻效应第三节 磁光效应第四节 量子化霍耳效应第五节 热磁效应第六节 光磁电效应第七节 压阻效应（一）教学方法与学时分配课堂讲授，大约3学时。限于学时，第3-7节可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求 本章扼要讲述半导体在磁场中发生的各种效应以及对半导体施加压力时产生的压阻效应。通过学习，要求掌握半导体霍耳效应物理机制和应用；了解磁阻效应、磁光效应、量子化霍耳效应、热磁效应、光磁电效应、压阻效应等。 本章重点包括霍耳效应，磁阻效应，热磁效应，光磁电效应，压阻效应。难点为量子化霍耳效应。第十三章 非晶态半导体第一节 非晶态半导体的结构第二节 非晶态半导体中的电子态第三节 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应第四节 非晶态半导体中的电学性质第五节 非晶态半导体中的光学性质第六节 a-Si:H的pn结与金-半接触特性（一）教学方法与学时分配限于学时，本章可不讲授，学生可自学。（二）内容及基本要求 本章主要讨论非晶态半导体的基本特性。通过学习要求了解非晶态半导体的结构、电子态的特征，理解迁移率边、带隙态与掺杂效应的物理意义；掌握非晶态半导体光学、电学性质的特点以及应用。 本章的重点包括非晶态半导体的能带结构，迁移率边，带隙态与掺杂效应，非晶态半导体的导电机制和光电导，SW效应等。难点为非晶态半导体的迁移率边，带隙态与掺杂效应。 制定人：贺德衍审定人：批准人：日 期：7 / 7文档可自由编辑打印