半导体物理学课程教学大纲_半导体物理学教学大纲

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半导体物理学 课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：半导体物理学 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业基础课 学 分：4

（二）课程简介、目标与任务；

本课程是微电子科学与工程专业本科生必修的专业基础课。该课程的主要内容可分为三大部分。第1-5章是晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6-9章为半导体的接触现象；第10章介绍半导体的一些特殊效应。本课程的任务是揭示和研究半导体的微观机构，从微观的角度解释发生在半导体中的宏观物理现象。通过该课程的学习使学生熟练掌握半导体物理方面的基本概念、知识和理论及半导体物理的基本模型和分析方法，为进一步学习微电子科学的其他课程提供理论依据。此外，半导体物理学是半导体材料、半导体工艺、半导体器件及半导体集成电路等相关研究领域的专业基础课，是微电子学与固体电子学专业方向硕士、博士研究生入学考试必考科目。在微电子科学与工程专业教学中占有重要地位。

该课程的目的是使学生全面地了解和掌握半导体物理的基本知识和基本理论，重视理论与实践的结合，能够利用所学知识解决实际问题，为学生将来从事半导体物理方面的理论研究和相关后续课程的学习打好基础。

（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； 先修课程：量子力学、固体物理、热力学统计物理

本课程的学习需要掌握量子力学、固体物理及热力学统计物理的基本物理概念、模型及理论。需要了解微观物质的基本运动规律、固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态、相互关系以及统计物理的基本概念。这几门课程分别为本课程的学习提供最基本的理论支持。同时半导体物理学也是后续相关课程如：半导体材料、半导体工艺、器件及集成电路等课程的基本理论基础。

（四）教材与主要参考书。

教材：

刘恩科、朱秉升、罗晋生编，《半导体物理学》，电子工业出版社，2011，第七版。主要参考书：

1.钱佑华、徐至中，《半导体物理学》，高等教育出版社，1999，第一版

2.Semiconductor Physics and Devices Basic Principle(3rd Edition)，Donald A.Neamen, McGraw-Hill Co.2000(清华大学出版社 影印版，2003.12)《半导体物理与器件》》(第三版)国外电子与通信教材系列作者：A.Neamen，电子工业出版社，2005。

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 半导体中的电子的运动、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 第二章 半导体中的杂质和缺陷能级 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 缺陷、位错能级

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 第四章 半导体的导电性

第一节 载流子的漂移运动 和迁移率

(美)Donald

第二节 载流子的散射

第三节 迁移率及其杂质浓度及温度的关系 第四节 电阻率及其杂质浓度和温度的关系 第五节 强电场下的效应、热载流子 第六节 多能谷散射、耿氏效应 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 第四节 第五节 第六节 第八节 第九节 第六章 第一节 p-n第二节 p-n第三节 p-n第四节 p-n第五节 p-n第七章 第一节 第二节 第三节 第八章 第一节 第二节 第三节 MIS第四节 第五节 第九章 第一节 准费米能级 复合理论 陷阱效应

非平衡载流子的扩散运动 连续性方程

硅的少数载流子寿命与扩散长度 p-n结 结及其能带 结电压电流特性 结电容 结击穿 结隧道效应 金属和半导体接触 金属半导体接触及其能级图 金属半导体接触整流理论 少数载流子的注入和欧姆接触 半导体表面与MIS结构 表面态 表面电场效应

（MOS）结构的电容-电压特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率 半导体异质结构 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 半导体超晶格 第十章 半导体霍尔效应 第一节 一种载流子的霍尔效应 第二节 两种载流子的霍尔效应 第三节 霍尔效应的应用

（一）教学方法与学时分配

1、教学方法：（1）课堂教学

采用传统板书与多媒体课件相结合的课堂教学方法。对重点、难点部分等，尽可能采用黑板书写，而对于一般性的文字叙述和图片资料，则采用多媒体教学。课后布置一定数量的习题，让学生加深理解，巩固所学的核心知识点。作业批改量达到100%。对作业中出现的错误明确指出存在的主要问题，共性问题则在答疑时集中讲解。组织若干次习题课，让学生全面系统地加深和巩固本课程的知识体系。

（2）课后答疑

每学期安排若干次答疑，及时了解学生的学习情况和对关键知识的掌握程度。

2、学时分配：

第一章 半导体中的电子状态（共8学时）第二章 半导体中的杂质和缺陷能级（共4学时）第三章 半导体中载流子的统计分布（共8学时）第四章 半导体的导电性（共8学时）第五章 非平衡载流子（共10学时）第六章 p-n结（共8学时）

第七章 金属和半导体接触（共8学时）第八章 半导体表面与MIS结构（共8学时）第九章 半导体异质结构（共6学时）第十章 半导体霍尔效应（共4学时）

（二）内容及基本要求

主要内容：该课程主要介绍半导体材料和器件的重要物理现象，阐述半导体物理的理论及有关物理量的实验方法。具体包括：硅、锗、砷化镓等晶体结构和电子状态，杂质和缺陷能级及半导体能带，载流子的统计分布、散射级电导，非平衡载流子的产生、复合及其运动规律，半导体导电性质及霍尔效应，半导体pn结及特性，金属-半导体接触的整流理论和欧姆接触，表面理论及MIS结构、异质结及半导体霍尔效应。

基本要求：通过本课程的教学，让学生掌握能带理论和半导体物理的基本概念；使学生从微观角度了解半导体中载流子的能量状态、统计分布规律和散射及电导规律；了解半导体中非平衡载流子的产生、复合、漂移和扩散等运动规律；了解掺杂和缺陷在半导体物理中的重要作用；了解半导体的特性、半导体内部载流子的基本运动规律；了解半导体的基本物理效应。

【重点掌握】：硅、锗、砷化镓等晶体结构、半导体中的电子运动、有效质量、空穴的概念；施主、受主杂质及能级等概念；浅能级、深能级杂质；杂质补偿作用与缺陷及半导体能带；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；载流子统计分布、电导率、迁移率概念和相互关系及其随温度和杂质浓度的变化规律；非平衡载流子的寿命、产生、复合、扩散等运动规律；载流子的扩散和漂移运动；pn结物理特性、能带图及接触电势差的计算、载流子分布、电流电压特性、结电容、击穿机制、隧道效应；金属-半导体接触的整流理论和欧姆接触；半导体表面电场效应、MIS结构的电容-电压特性；异质结等物理现象、基本理论和及其分析方法；各种理想异质结能带图的画法；半导体霍尔效应。

【掌握】：主要半导体材料的能带结构；浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；各种不同杂质浓度和温下的费米能级位置和载流子浓度；主要散射机构的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系；金属-半导体接触的能带弯曲过程分析及简图画法；电流传输理论的几种模型建立、应用和推导；掌握实现良好欧姆接触和整流接触的原理和方法；异质结几种电流传输模型和重要应用；霍耳系数的测定。

【了解】：半导体中的电子状态；回旋共振实验的目的、意义和原理。了解缺陷、位错能级的特点和作用。电流密度方程和连续性方程；实际MIS结构中出现的各种情况，并与理想C-V特性相比较，了解如何用C-V法来了解半导体的表面状况，Si-SiO2系统的性质。了解异质结几种电流传输模型和重要应用。

【一般了解】：半导体在强电场下的效应及耿氏效应，半导体超晶格材料。【难点】：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构；杂质能级；杂质电离的过程；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；载流子的散射机构；电导率与迁移率的关系；强电场效应；复合理论；爱因斯坦关系；连续性方程的应用；电流电压特性、结电容；金属-半导体接触的能带弯曲过程分析；Si-SiO2系统的性质；异质结能带图的画法。（重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次）

制定人：李亚丽

审定人： 批准人： 日 期：