《半導(dǎo)體物理及固體物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱課程名稱：半導(dǎo)體物理及固體物理基礎(chǔ)課程代碼：MICR3021英文名稱：FundamentalsofSemiconductorPhysicsandSolid-StatePhysics課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分/學(xué)時：3/63開課學(xué)期：5適用專業(yè)：微電子科學(xué)與程、電子科學(xué)與技術(shù)先修課程：量子力學(xué)、統(tǒng)計物理后續(xù)課程：半導(dǎo)體器件物理、大規(guī)模集成電路制造工藝開課單位：電子信息學(xué)院課程負(fù)責(zé)人：王明湘大綱執(zhí)筆人：張冬利大綱審核人：王明湘一、課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)課程性質(zhì)：《半導(dǎo)體物理與固體物理基礎(chǔ)》課程是微電子科學(xué)與技術(shù)的一門專業(yè)必修課，也是本專業(yè)的必修主干課程，是半導(dǎo)體器件物理、大規(guī)模集成電路制造工藝等課程的前導(dǎo)課程。課程旨在使學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理中的涉及的各種物理機(jī)制和基本概念，為分析半導(dǎo)體器件的工作原理打好基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)：本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料常見特性的物理機(jī)制以及基本半導(dǎo)體器件的工作原理。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制、摻雜原理、載流子統(tǒng)計分布、非平衡載流子的概念等，能運(yùn)用這些理論來分析p-n結(jié)、金半接觸、

MIS、異質(zhì)結(jié)等基本半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理。本課程的具體教學(xué)目標(biāo)如下：理解固體分類、晶體結(jié)構(gòu)、共價鍵等基本概念?！?.3】掌握載流子、能帶、費(fèi)米能級等物理概念以及各種載流子輸運(yùn)機(jī)制?！?.3】能夠根據(jù)所學(xué)知識計算載流子濃度、費(fèi)米能級位置以及載流子分布?！?.1】能夠利用所學(xué)知識解釋簡單半導(dǎo)體器件的工作原理?！?.1】能夠?qū)Π雽?dǎo)體器件進(jìn)行測量和參數(shù)提取，并對非理想因素進(jìn)行分析解釋?！?.1】二、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)1、工程知識1.3掌握半導(dǎo)體器件相關(guān)基礎(chǔ)知識，具備對半導(dǎo)體器件相關(guān)工程問題進(jìn)行設(shè)計與分析的基本能力。教學(xué)目標(biāo)1、22、問題分析2.1能運(yùn)用數(shù)理和工程知識判斷半導(dǎo)體器件領(lǐng)域復(fù)雜工程問題中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和器件參數(shù)。教學(xué)目標(biāo)3、44、研究4.1能夠?qū)Π雽?dǎo)體器件領(lǐng)域的工程問題進(jìn)行研究和實驗驗證，并得到合理有效的結(jié)論。教學(xué)目標(biāo)5課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配（重點內(nèi)容：；難點內(nèi)容：）第一章固體物理預(yù)備知識課時：2周，共6課時教學(xué)內(nèi)容半導(dǎo)體的特性及分類（支撐課程目標(biāo)1）什么是半導(dǎo)體按照電阻率劃分半導(dǎo)體的基本特性及分類摻雜敏感性，光敏，熱敏常見的半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體第二節(jié)半導(dǎo)體科學(xué)發(fā)展史（支撐課程目標(biāo)1）按年代的發(fā)展歷程與其他學(xué)科的關(guān)系量子力學(xué)，統(tǒng)計物理，固體物理第三節(jié)晶體學(xué)常識（支撐課程目標(biāo)1）基本晶體結(jié)構(gòu)SC，F(xiàn)CC，BCC等晶格晶列，晶向，晶面，密勒指數(shù)，晶體結(jié)構(gòu)類型基元，點陣，原胞，單胞，簡單晶格，復(fù)式晶格倒格子倒格矢思考題：試證體心立方點陣和面心立方點陣互為正倒點陣。如何標(biāo)識密勒指數(shù)。第二章導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（支撐課程目標(biāo)1）課時：2周，共6課時 教學(xué)內(nèi)容半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)金剛石結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)，共價鍵，混合鍵半導(dǎo)體中電子態(tài)和能帶一、原子的能級和晶體的能帶自由電子的運(yùn)動狀態(tài)，原子中電子的運(yùn)動狀態(tài)，氫分子中的電子，晶體中的電子布洛赫定理，緊束縛近似理論，近自由電子理論二、半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶能帶的對稱性，K空間狀態(tài)密度，布里淵區(qū)三、半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動，有效質(zhì)量一、色散關(guān)系 E-k關(guān)系，平均速度，加速度二、有效質(zhì)量本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制空穴（支撐課程目標(biāo)2）一、導(dǎo)電機(jī)制的能帶論解釋二、空穴的引入回旋共振（支撐課程目標(biāo)2）一、K空間等能面二、回旋共振法測有效質(zhì)量，Ge、Si的能帶結(jié)構(gòu)（支撐課程目標(biāo)2）一、Ge、Si的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)二、Ge、Si的價帶結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體GaAs的能帶結(jié)構(gòu)、混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)（支撐課程目標(biāo)2）思考題：1、什么是晶體的各向異性？2、如何區(qū)別閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)？3、空穴是如何引入的？4、有效質(zhì)量為什么存在負(fù)值？第三章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級（支撐課程目標(biāo)3）課時：1周，共3課時教學(xué)內(nèi)容Ge-Si晶體中的雜質(zhì)能級一、替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)二、施主雜質(zhì)施主能級三、受主雜質(zhì)受主能級四、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算五、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用六、深能級雜質(zhì)III-V族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級缺陷和位錯能級一、點缺陷二、位錯思考題：1、什么是等電子雜質(zhì)？2、如何利用類氫模型計算電離能？第四章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布（支撐課程目標(biāo)3）課時：2周，共7課時教學(xué)內(nèi)容狀態(tài)密度一、K空間量子態(tài)的分布密度二、狀態(tài)密度費(fèi)米能級和載流子的統(tǒng)計分布一、費(fèi)米分布函數(shù)二、玻耳茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度有效狀態(tài)密度 四、載流子濃度乘積本征半導(dǎo)體的載流子濃度非本征半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)能級上的電子和空穴占據(jù)幾率半導(dǎo)體中載流子濃度的計算一般情況下的載流子統(tǒng)計分布簡并半導(dǎo)體什么是簡并半導(dǎo)體，簡并化條件，禁帶變窄效應(yīng)，特點思考題：1、分溫區(qū)近似計算載流子濃度的方法。2、如何理解電離程度與溫度、濃度的相關(guān)性？第五章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（支撐課程目標(biāo)3）課時：2周，共8課時教學(xué)內(nèi)容載流子的漂移運(yùn)動遷移率歐姆定律飄移速度和遷移率半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率載流子的散射載流子散射的概念半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)電離雜質(zhì)的散射，晶格振動的散射，散射概率遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系平均自由時間和散射概率的關(guān)系電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系電導(dǎo)有效質(zhì)量的概念遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系電阻率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系強(qiáng)電場下的效應(yīng)熱載流子歐姆定律的偏離熱載流子霍耳效應(yīng)思考題：1、推導(dǎo)散射概率與平均自由時間的關(guān)系。闡述遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系？第六章非平衡載流子（支撐課程目標(biāo)3）課時：2周，共8課時教學(xué)內(nèi)容非平衡載流子的注入和復(fù)合附加光電導(dǎo)效應(yīng)實驗，非平衡載流子，小注入非平衡載流子的壽命非平衡載流子隨時間衰減準(zhǔn)費(fèi)米能級復(fù)合理論直接復(fù)合，間接復(fù)合，表面復(fù)合復(fù)合率與雜質(zhì)能級位置的關(guān)系深能級雜質(zhì)的作用陷阱效應(yīng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散定律、平均擴(kuò)散長度、擴(kuò)散流密度，體效應(yīng)擴(kuò)散載流子的漂移運(yùn)動愛因斯坦關(guān)系載流子漂移、擴(kuò)散運(yùn)動的規(guī)律愛因斯坦關(guān)系連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式的應(yīng)用思考題：1、推導(dǎo)復(fù)合率與載流子壽命的關(guān)系。2、推導(dǎo)愛因斯坦關(guān)系。第七章p-n結(jié)（支撐課程目標(biāo)4）課時：2周，共8課時教學(xué)內(nèi)容p-n結(jié)及其能帶圖一、p-n結(jié)的形成和雜質(zhì)分布 突變結(jié)，線形緩變結(jié)二、空間電荷區(qū)三、p-n結(jié)能帶圖四、p-n結(jié)接觸電勢差五、p-n結(jié)的載流子分布I-V特性一、非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)二、理想p-n結(jié)模型及其電流電壓方程三、影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想方程的因素勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流，復(fù)合電流，大注入效應(yīng)p-n結(jié)電容一、p-n結(jié)電容的來源二、突變結(jié)、線形緩變結(jié)的電容p-n結(jié)擊穿一、雪崩擊穿二、隧道擊穿三、熱擊穿p-n結(jié)隧道效應(yīng)隧道結(jié)的形成，理論、應(yīng)用思考題：1、什么是理想p-n結(jié)，實際p-n結(jié)的I-V特性如何解釋？。p-n結(jié)電容的來源有哪些？。第八章金屬和半導(dǎo)體接觸（支撐課程目標(biāo)4）課時：2周，共8課時教學(xué)內(nèi)容金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)接觸電勢差表面態(tài)釘扎效應(yīng)金屬和半導(dǎo)體接觸整流理論一、擴(kuò)散理論二、熱電子發(fā)射理論三、鏡像力和隧道效應(yīng)的影響四、肖特基勢壘二極管少子注入和歐姆接觸一、少子注入二、歐姆接觸思考題：1、什么是理想p-n結(jié)，實際p-n結(jié)的I-V特性如何解釋？。2、p-n結(jié)電容的來源有哪些？。第九章導(dǎo)體表面和MIS結(jié)構(gòu)（支撐課程目標(biāo)4）課時：2周，共8課時教學(xué)內(nèi)容表面態(tài)表面態(tài)的概念表面電場效應(yīng)空間電荷層及表面勢多子堆積，多子耗盡，少子反型表面空間電荷曾的電場、電勢和電容平帶電容，平帶電壓MIS的C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響絕緣層中電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)二氧化硅中的可動離子二氧化硅中的固定表面電荷二氧化硅中的的表面態(tài)思考題：1、畫出硅表面多子堆積，多子耗盡，少子反型時的能帶狀態(tài)。2、實際硅-二氧化硅系統(tǒng)的C-V特性。第十章異質(zhì)結(jié)（支撐課程目標(biāo)4）課時：1周，共4課時教學(xué)內(nèi)容異質(zhì)結(jié)及其能帶圖電流輸運(yùn)機(jī)制在器件中的應(yīng)用半導(dǎo)體超晶格第十一章實驗（支撐課程目標(biāo)5）課時：3周，共9課時顯微鏡測量器件尺寸第二節(jié)器件基本CV特性測量第三節(jié)器件特性參數(shù)提取四、教學(xué)方法在課堂教學(xué)中，闡述半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識，并理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、