《半導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：半導體物理與器件3.英文名稱：SemiconductorPhysicsandDevices4.適用專業：電子科學與技術5.學分：46.總學時：64二、課程說明（為什么要上該課程？）1.（包括半導體）---有效質量等；通過量子態密度和費米狄拉克統計規律建立求解半導體載流子2.課程內容的必要性：3.課程的能力培養該課程能培養學生運用半導體物理與器件的原理和方法對光電子領域的等三、課程目標與指標點課程指標點該課程培養畢業要求1和畢業要求2所要求的能力：畢業要求1：能夠運用數理知識、工程基礎和專業知識，解決光電子領域的復雜工程問題。畢業要求2：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析光電子領域的的復雜工程問題，以獲得有效結論。1214231-22-12-22-3指標點1-2：能夠針對一個光信息傳輸與處理系統或過程建立合適的數學模型，并利用恰當的邊界條件結合計算機知識求解。2-1指標點2-2：能夠通過文獻查詢，合理分析、分解復雜工程問題，并進行表達、建模。指標點2-3：能運用工程基礎和專業基本原理，分析影響光信息傳輸與處理系統有效性、可靠性的可能因素，獲得有效結論。課程目標課程目標與指標點的關系課程目標1是畢業要求指標點1-2結合半導體物理課程中涉及建模和求解相關內容而形成的，對應畢業要求指標點1-2。22-1結合課程中影響半導體器件性能參數的相2-1。32-22-2。42-32-3。四、教學內容與要求（一） 晶體中電子的運動狀態（14學時）1.教學內容及其必要性（1）1）1）針對固體的結構，建立運用量子力學方法確定晶體中電子的運動狀態的模知識與能力要求知識要求掌握半導體材料的特性及分類；了解固體的分類，掌握晶格的基本結構；掌握半導體材料晶胞結構，掌握晶胞晶面的特性及描述方法；掌握量子力學的基本E-K關系的意義；掌握半導體能帶形成原理，掌握半導體參與導電的載流子種類及其特性，能力要求3.考核目標1．區分半導體材料；辨別原胞、晶胞；辨識和表達晶格結構；計算原子體密度；畫晶面和確定晶面指數。能根據波函數判斷電子的運動狀態；能區分不同的量子態。能描述固體的能帶結構，利用能帶判斷允帶是否能形成的宏觀電流，會（二）平衡半導體中的載流子濃度（12學時）教學內容及其必要性1）量分布的狀態密度函數和載流子占據量子態的概率的費米分布函數這兩部分信息。（）1）介紹施主雜質和受主雜質的概念，按溫度分區討論只含一種雜質（施主雜質或受主雜質）的平衡半導體的載流子濃度。（２）計算補償半導體的平衡載流子濃度。（２）研究溫度和摻雜濃度如何影響費米能級位置，總結得出一個費米能級變化的一般規律。（1）給出簡并半導體和非簡并半導體的定義及判定方法，討論計算平衡簡并半導體載流子濃度的公式2.知識與能力要求得到半導體的導帶和價帶的量子態按能量分布的狀態密度函數和決定載流子占據量子態概率的費米-狄拉克分布函數。能分析并計算含一種施主雜質和受主雜質的補償半導體的載流子濃度。分析影響半導體費米能級位置的兩個因素：溫度和摻雜濃度對其的影響規律。對于不滿足玻爾茲曼近似的半導體（簡并半導體）其的載流子濃度是本節課討論的主要內容。能力要求k空間特點和第一章中得出導帶和價帶中的E-k關系，得出狀態密度函數的表達式，通過這個過程培養學生分析對分解后的問題進行表達、建模、正確描述系統解決方案的能力。通過直接給出的費米-狄拉克分布函數，學生通過在不同 情況下的試算，體會該函數呈現的規律及決定其結果的主要因素有條件下的玻爾茲曼近似培養學生識別和判斷該問題中的關鍵環節和參數，并進行有效分解和近似的能力。根據得出的導帶狀態密度函數和導帶的量子態被占據的概率及價帶狀態密在只含一種雜質的載流子濃度的基礎上結合補償能將結果進行推廣的能力。能夠識別和判斷影響半導體費米能級的關鍵參數，并結合專業知識分析出各種具體條件下費米能級的變化規律；3．考核要求能演示費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本征半導體的定義并總結本征載流子濃度的特點及其變化規律。能根據具體給定的條件，判斷雜質的電離情況；要求學生能計算出課堂p型半導體在各個溫度區間的載流子濃度。能計算給定條件下補償半導體的載流子濃度根據給定的條件，判斷某半導體的費米能級位置能明確簡并半導體產生的背景，判斷的條件、具有的特征（相對非簡并半導體，能計算其載流子濃度；能解釋簡并半導體的禁帶變窄效應。（三）載流子的輸運（10學時）教學內容（3）3）（3）2）2.知識與能力要求知識要求掌握漂移運動和擴散運動的定義；理解載流子散射和遷移率之間的關系；定量計算漂移電流和擴散電流。能力要求3.考核目標對半導體中載流子輸運的兩種機制內涵的理解；對遷移率內涵的理解以及處理與遷移率定量計算有關問題；漂移電流和擴散電流的定量計算。（四）過剩載流子（12學時）1.教學內容（1）（復合）快慢程度的物理量；熱平衡及非熱平衡狀態下載流子產生率、復合率以及壽命之間的關系。（1）1）內建電場會使過剩電子和過剩空穴產生吸引力，導致它們緊密地聯系在一起（3）2.知識與能力要求知識要求理解載流子產生和復合的物理過程；掌握熱平衡狀態下以及非熱平衡狀態下產生率、復合率及壽命之間的關系；理解準費米能級的物理內涵。能力要求3.考核目標對載流子準費米能級的理解。載流子濃度隨時間、空間的變化情況。（五）PN結（12學時）教學內容PN（2）PN結是很多半導體器件的核心，了解不同PN的形物理結構、制作方法，掌握不同PN結內的雜質分布情況，為分析PN的性能特點提供基礎。PN（3）PNPN結結區電荷分布特點，及結區特性；根據結區電PNPN的結參數提供物理模型。（4）PN的結區電荷分布，結合熱平衡半導體的載流子及費米能級之PNPN結4）PNPNPN結二極管的電流-電壓關系，分析影響實際PN結二極管電流的因素。以訓練學生分析問題、建模求解、總結結果的能力。PN結4）PN的結構的結區變化、能帶結夠等結參數的變化，定性分PN二極管的電流-PN（4）PN結的形成過程和空點電荷分布特點，分析在正偏和反偏情況下空間PN（4）PNPNPN結的擊穿機理具有一定PNPN結三種不同的擊穿機理。2.知識與能力要求知識要求PPNpn結的物理模型，掌握電流電壓關系的推導PN結二極管電壓電流關系求解中的應用；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體的擴散運動和漂移運動原理解釋PN結的形成過程PNPN內建電PN結結區的電勢能，計PNPN結的能帶圖；利用能帶理論PNPN結二極管電流假設，能精確求PNPN結的電容效應。3.考核目標PN結形成物理過程PN結的能帶圖PN結結參數的計算PN結結電流及電容的計算（六）金屬半導體接觸與異質結（4學時）教學內容及其必要性（3）-（4）在定性分析基礎上實現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結幾種常用標準下的分類并討論每類異質結的能帶圖及其細節。以pn結的相關分析為基礎，得出異質結在平衡狀態下電勢、電場和勢壘區寬度的計算公式，對突變反型異質結采用相應模型得出其電流-電壓特性方程。能力要求能敘述異質結的概念，辨別不同類異質結，總結出異質結能帶圖的規律。在pn結的基礎上，面對由不同禁帶寬度的兩種材料形成的異質結中涌現出的新問題，培養學生找出兩類問題相同點和不同之處和分析問題解決問題的能-3．考核要求能根據實際中給出的形成異質結的兩種物質畫出其能帶圖．五、教學考核方式和要求教學考核要能反映課程目標的達成情況，教學目標的考核方式和內容圍繞考核的目的是客觀反映學生的學習成果，反映學生在該課程中的能力達成情況。考核成績是對學生在該課程中的能力達成情況的綜合評價。教學考核方式該課程的考核成績=過程考核成績x30%+考試成績x70%。教學考核要求過程考核要求根據課程內容和知識能力要求設置書面作業和課堂測試與討論等環節。各環節的成績占比根據能力要求進行設計，并對各環節的考核成績按課程目標（或畢業要求指標點）分別記錄，以便作為課程目標考核的數據來使用。考試考核要求考試內容應能包括所有課程目標，并恰當選擇相關內容進行考核。考試內容和題型應能考查學生運用知識分析和解決問題的能力。考試成績應按課程目標（或畢業要求指標點）分別記錄，以便作為課程目標考核的數據來使用。六、課程目標達成情況評價1.課程目標達成情況評價方法該課程按課程目標（或畢業要求指標點）分別評價其達成情況，采用考核