《半导体物理》教学大纲

课程编号：MA5202

课程名称：半导体物理                     英文名称：Semiconductor Physics   

学分/学时：3/48                           课程性质：选修    

适用专业：材料科学与工程、电子科学       建议开设学期：5

与技术、光信息科学与技术

先修课程：固体物理                       开课单位：先进材料与纳米科技学院

一、课程的教学目标与任务

目标:通过本课程的学习使学生熟练掌握半导体相关的基础理论，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律，初步了解半导体表面、界面及金属与半导体接触等相关知识，为后续课程学习打好基础。

任务:重点介绍半导体中的电子状态和带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子以及半导体表面、界面、金半接触等相关知识。

二、课程具体内容及基本要求

（一）绪论 ( 2学时)

具体内容:介绍课程特点、结构、内容、要求等。

1.基本要求

半导体的重要性质、本课程的任务与作用。

2.重点、难点

重点:物质分类，半导体性质等

难点:半导体性质及应用

3.作业及课外学习要求

要求学生广泛阅读与半导体物理相关的文献资料，加深对半导体相关概念及其应用的了解。

(二) 半导体中的电子状态 (12学时)

具体内容:半导体中的电子状态和能带，半导体中电子的运动和有效质量。本征半导体的导电机构一空穴的概念。Si, Ge和化合物半导体的能带结构。

1.基本要求:掌握半导体中的电子状态和能带，有效质量，半导体的导电机构，元素半导体和典型化合物半导体的能带结构，回旋共振原理与结果。

2.重点、难点

重点:半导体中的电子状态和能带，空穴的概念

难点:半导体的能带结构，回旋共振及其实验结果

3.作业及课外学习要求

完成课后作业，让学生明白本章节内容是本课程的基础，内容多，概念多。

课外学习要求：调研、查阅文献资料，了解半导体物理领域的最新进展。

（三）半导体中的杂质和缺陷能级 (4学时)

具体内容:Si和Ge晶体中的杂质能级，杂质的补偿作用，深能级杂质。III- V族化合物半导体中的杂质能级，等电子杂质与等电子陷阱。半导体中的缺陷与位错能级。

1.基本要求:掌握半导体中杂质的作用与杂质能级，掌握半导体中的缺陷及其影响

2.重点、难点

重点:浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的补偿作用

难点:等电子杂质与等电子陷阱

3.作业及课外学习要求

完成课后作业，让学生明白掺杂是改变半导体导电能力和导电类型的重要手段，是形成各种半导体器件和集成电路的基础。

（四）半导体中载流子的统计分布 (10学时)

具体内容:状态密度，费米能级和载流子的统计分布。本征半导体的载流子密度，杂质半导体的载流子密度，杂质补偿半导体的载流子密度。简并半导体及其载流子密度，简并化条件，简并半导体的特点与杂质带导电。

1.基本要求:掌握本征和杂质半导体载流子密度计算，掌握简并半导体的载流子密度计算，掌握简并半导体的特点与杂质带导电

2.重点、难点:

重点:各种情形下的半导体载流子密度计算

难点:状态密度，载流子浓度乘积，杂质半导体的载流子密度，简并半导体概念及特点。

3.作业及课外学习要求

完成课后作业，让学生牢固掌握载流子密度的分析计算方法及其影响载流子浓度的因素。

（五）半导体的导电性 (8学时)

具体内容:载流子的漂移运动与迁移率，载流子的散射，半导体中的主要散射机制，迁移率与杂质浓度和温度的关系，电阻率及其与杂质浓度和温度的关系。强电场下的效应，高场畴区与Gunn效应。

1.基本要求:掌握载流子的漂移运动与迁移率;掌握半导体的主要散射机构，迁移率、电阻率与杂质浓度和温度的关系。

2.重点、难点:

重点:迁移率概念，载流子的散射概念，高场畴区与Gunn效应

难点:半导体中的主要散射机构及其主要影响因素

3.作业及课外学习要求

完成课后作业，让学生深刻理解漂移运动是半导体中载流子的重要输运方式之一，牢固掌握相关规律。

课外学习要求：参观了解或调研半导体电特性测量的常用方法！

（六）非平衡载流子 (10学时)

具体内容:非平衡载流子的注入与复合，准费米能级，非平衡载流子的寿命，复合理论，陷阱效应。载流子的扩散运动，载流子的漂移运动和Einstein关系，连续性方程及其应用。

1.基本要求:掌握非平衡载流子的注入与复合;掌握复合理论和扩散运动;掌握Einstein关系，掌握连续性方程及其应用，连续性方程及其应用等。

2.重点、难点:

重点:平衡态与非平衡态，小注入概念，寿命，准费米能级，复合理论，扩散运动，稳态扩散方程，Einstein关系

难点:复合理论与连续性方程

3.作业及课外学习要求

完成课后作业，让学生深刻理解非平衡载流子是各种半导体器件的工作基础，是后续课程的必备知识，通过课堂听讲及课后作业练习牢固相关知识。

（七）半导体表面、界面及接触概述（2学时）

具体内容:半导体的表面，p-n结，金属-半导体接触

1．基本要求：了解半导体表面、界面及接触现象的基本概念，初步了解p-n结、金半结的形成及其特点

2．重点、难点：

重点：p-n结的形成

难点：平衡p-n结的特点。

3. 课外学习要求

通过课外自学，了解半导体表面、界面及接触现象的基本概念，初步了解p-n结、金半结的形成及其特点。学习撰写该部分课堂演示讲稿用于集体讨论或交流。

三．教学安排及方式

总学时48学时，其中：讲授40学时，实践或多种教学方式16学时。

注：教学方式填写“讲授、实验或实践、上机、综合练习、多种形式”。

四、本课程对培养学生能力和素质的贡献度

在教学中，通过启发式教学、由浅入深地引导学生学习，注重基本概念、基本规律梳理，在课程教学过程，针对部分课程内容实施实践或多种教学方式教学，引导学生查阅文献资料撰写调查分析报告或自学，培养和提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力与素质。

五、考核及成绩评定方式

最终成绩由平时作业成绩、平时考核成绩和期末成绩等组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：10%。主要考核对课程知识点的复习、理解和掌握程度。

实践性环节成绩：20%。调研报告、小论文或集体讨论课堂演示等。

期末考试成绩：70%。主要考核对教学大纲要求知识的掌握程度。采用半开卷考试形式。

六、推荐教材与参考书目

教材：《半导体物理简明教程》，陈治明 雷天民 马剑平，机械工业出版社

参考资料：

1.《半导体物理学》刘恩科、朱秉升、罗晋生等编，国防工业出版社  

2.《半导体物理学》第2版（上），叶良修，高等教育出版社

3.《半导体物理学》，顾祖毅，田立林，富力文，电子工业出版社

4.《Semiconductor Physics and Devices》，Donald H.Neamen,（有中译本，赵毅强等译）

5.《半导体物理基础》，王长安，上海科学技术出版社

七、说明

（一）与相关课程的分工衔接

本课程是后续《固态电子器件》或半导体器件类课程的基础，与学生毕业后从事与半导体有关的工作密切相关！

（二）其他说明

无。

（执笔人：雷天民       审核人：施建章）