半导体物理课程教学大纲

第一篇：半导体物理课程教学大纲

《半导体物理》课程教学大纲

课程编号：C030001 适用专业：微电子技术，微电子学

学时数：72（实验12）学分数：4．5

先修课程：《热力学与统计物理学》、《量子力学》和《固体物理学》

考核方式：闭卷

执笔者：刘诺

编写日期：2004.5

一、课程性质和任务

《半导体物理学》是面向电子科学与技术方向本科生所开设的微电子技术专业和微电子学专业的一门专业基础课和学位课，是培养方案中的核心课程之一。开设的目的是使学生熟悉半导体物理的基础理论和半导体的主要性质，以适应后续专业课程的学习和将来工作的需要。

二、教学内容和要求

理论教学（60学时）

半导体中的电子状态（8学时）：

理解能带论。掌握半导体中的电子运动、有效质量，本征半导体的导电机构、空穴，锗、硅、砷化镓和锗硅的能带结构。半导体中的杂质和缺陷能级（5学时）：

掌握锗、硅晶体中的杂质能级，Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体的杂质能级。理解缺陷、位错能级。

热平衡时半导体中载流子的统计分布（10学时）：

掌握状态密度，费米能级和载流子的统计分布，本征半导体的载流子浓度，杂质半导体的载流子浓度。理解一般情况下的载流子的统计分布。了解简并半导体。半导体的导电性（8学时）：

掌握载流子的漂移运动，载流子的散射，迁移率与杂质浓度和温度的关系，玻尔兹曼方程。了解电导的统计理论。理解强电场效应，热载流子。

非平衡载流子（8学时）：

掌握非平衡载流子的注人与复合，非平衡载流子的寿命，准费米能级，复合理论，陷阱效应，载流子的扩散运动、爱因斯坦关系，理解连续性方程。

p-n结（0学时）：

了解p-n结及能带图，p-n结的电流电压特性，p-n结电容，p-n结击穿和p-n结隧道效应。

异质结（0学时）：

了解异质结及其能带图和异质结的电流输运机构。金属和半导体的接触（10学时）：

掌握金属和半导体接触的整流理论。理解少数载流子的注人，欧姆接触。

半导体表面理论（10学时）：

掌握表面态、表面电场效应，MIS结构的电容一电压特性，理解硅一二氧化硅系统，表面电导及迁移率。

半导体磁效应（1学时）：

掌握霍耳效应。

为巩固课堂讲授的基本概念和基本理论，培养学生分析问题和解决问题的能力．每章讲完后，需布置一定分量的课外作业。必做题约40道，选做题平均每章3－5题。

2.实验教学（12学时）

“ 半导体物理实验 ” 包括了六个实验，MOS结构高频C－V特性测试、MOS结构准静态C－V特性测试、MOS结构中可动电荷测试、霍尔效应、椭偏法测SiO2 层的厚度及折射率、及参数测试以及高频光电导衰减法测量Si单晶少子寿命。教师根据实验设备数量选做四个实验。

教师在课堂讲解每个实验的基本原理、测试内容及实验要求，交待实验注意事项。•

学生分组做实验，每组2人。要求学生必须自已动手做实验，独立处理实验数据，完成实验报告，回答思考题。

三、建议教材和参考资料

1.教材：（半导体物理学），西安交大刘恩科主编

2.参考资料：

（1）Fundamental of Solid-State Electronics，Chih-Tang Sah（U.S.A.）

（2）《半导体物理学》，叶良修编

（3）《半导体物理学》，顾祖毅编

（4）《半导体物理实验指导书》，自编讲义

第二篇：半导体物理教学大纲（精选）

《半导体物理》

课程编号：01500277

课程名称：半导体物理 Semiconductor Physics 学分：3.5 学时: 56

先修课程： 固体物理、量子力学、理论物理

一、目的与任务

《半导体物理学》是电子科学与技术专业的一门必修课程。通过学习本课程，使学生掌握半导体物理的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的能力，同时为后继课程《半导体器件》与《半导体集成电路》的学习奠定基础。

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；重点学习半导体中的电子状态及运动规律；学习半导体中载流子的统计分布、输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中发生的一些宏观物理现象；学习半导体的某些基本结构，包括金属半导体结及表面问题。

二、教学内容及学时分配

第一章 半导体中的电子状态（8学时）1．半导体中的电子状态与能带 2．半导体中电子的运动有效质量 3．本征半导体的导电机构空穴 4．硅和锗的能带结构

第二章 半导体中杂质和缺陷能级（2学时）1．硅、锗晶体中的杂质能级 2．Ⅲ-V族化合物中的杂质能级

第三章 半导体中载流子的统计分布（8学时）1．状态密度

2．费米能级和载流子的统计分布 3．本征半导体的载流子浓度 4．杂质半导体的载流子浓度 5．一般情况下的载流子统计分布 6．简并半导体

第四章 半导体的导电性（8学时）1．载流子的漂移运动迁移率 2．载流子的散射

3．迁移率与杂质浓度和温度的关系 4．电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 5．波尔兹曼方程电导率的统计理论 6．强电场下的效应，热载流子 7．多能谷散射耿氏效应 第五章 非平衡载流子（8学时）1．非平衡载流子的注入与复合 2．非平衡载流子的寿命 3．准费米能级 4．复合理论 5．陷阱效应 6．载流子的扩散运动

7．载流子的漂移运动爱因斯坦关系 8．连续性方程式

第六章 金属和半导体接触（4学时）1．金属与半导体接触及其能带图 2．金属与半导体接触的整流理论 3．欧姆接触

第七章 半导体表面与MIS结构（4学时）1．表面态 2．表面电场效应

3．MIS结构的电容电压特性 4．硅—二氧化硅系统的性质 第八章 异质结（2学时）1．异质结及其能带图 2．异质结的电流输运机构

第九章半导体的光电性质、光电与发光现象（4学时）1．半导体的光吸收和光电导 2．半导体的光生伏特效应 3．半导体的发光、激光

第十章 半导体热电性质（4学时）1．热电效应 2．热电效应的应用

第十一章 半导体磁和压阻效应（4学时）1．霍耳效应 2．磁阻效应 3．光磁电效应 4．压阻效应

三、考核与成绩评定

采用纸笔式闭卷考试，按百分制进行成绩评定。

四、大纲说明

1.本课程在理论物理基础课程学习之后开设。学生应掌握必要的热力学与统计物理、量子力学、电磁场、固体物理学等知识。

2.在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。

3.本大纲适合近电子科学与技术类专业。

五、教科书、参考书

［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生等.半导体物理学［M］.北京：国防工业出版社，1994.［2］叶良修.半导体物理学［M］.上册.北京：高等教育出版社，1986.［3］S.M.Sze,physics of Semiconductor Devices［M］.John Wiley and Sons,Inc.1981.《微电子器件基础》

第三篇：《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.［4］S.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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

半导体的晶格结构和结合性质 半导体中的电子状态和能带

半导体中电子的运动 有效质量 本征半导体的导电机构 空穴 回旋共振

硅和锗的能带结构 第七节 第八节 第九节 第十节 III-V族化合物半导体的能带结构 II-VI族化合物半导体的能带结构 Si1-xGex合金的能带 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 第二节 第三节 第四节 硅、锗晶体中的杂质能级 III-V族化合物中的杂质能级

氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级 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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 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浓度 杂质半导体的载流子浓度 一般情况下的载流子统计分布 简并半导体

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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 载流子的漂移运动和迁移率 载流子的散射

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 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论 强电场下的效应、热载流子 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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节

非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的寿命 准费米能级 复合理论 陷阱效应

载流子的扩散运动

载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式 连续性方程式

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 第二节 第三节 第四节 第五节 pn结及其能带图 pn结电流电压特性 pn结电容 pn结击穿 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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 表面态

表面电场效应

MIS结构的C-V特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率

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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 半导体异质结及其能带图

半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性 半导体应变异质结构 GaN基半导体异质结构 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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节

半导体的光学常数 半导体的光吸收 半导体的光电导

半导体的光生伏特效应 半导体发光 半导体激光

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：

第四篇：半导体材料课程教学大纲

半导体材料 课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称：半导体材料

所属专业：微电子科学与工程

课程性质：专业限选

学 分： 3

（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。

目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。

（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；

本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。

（四）教材：杨树人《半导体材料》

主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》

陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》

二、课程内容与安排

第一章 半导体材料概述 第一节 半导体材料发展历程 第二节 半导体材料分类 第三节 半导体材料制备方法综述 第二章 硅和锗的制备 第一节 硅和锗的物理化学性质 第二节 高纯硅的制备 第三节 锗的富集与提纯 第三章

区熔提纯

第一节 分凝现象与分凝系数

第二节

区熔原理 第三节

锗的区熔提纯 第四章

晶体生长

第一节 晶体生长理论基础

第二节 熔体的晶体生长

第三节 硅、锗单晶生长

第五章

硅、锗晶体中的杂质和缺陷

第一节 硅、锗晶体中杂质的性质

第二节 硅、锗晶体的掺杂

第三节 硅、锗单晶的位错

第四节 硅单晶中的微缺陷

第六章

硅外延生长

第一节 硅的气相外延生长

第二节 硅外延生长的缺陷及电阻率控制

第三节 硅的异质外延

第七章

化合物半导体的外延生长

第一节 气相外延生长（VPE）

第二节 金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）

第三节 分子束外延生长（MBE）

第四节 其他外延生长技术

第八章

化合物半导体材料

（一）：第二代半导体材料

第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性

第二节 GaAs单晶的制备及应用

第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂

第四节 InP、GaP等的制备及应用

第九章

化合物半导体材料

（二）：第三代半导体材料

第一节 氮化物半导体材料特性及应用

第二节 氮化物半导体材料的外延生长 第三节 碳化硅材料的特性及应用

第十章

其他半导体材料 第一节 半导体金刚石的制备及应用 第二节 低维半导体材料及应用

第三节 有机半导体材料

（一）教学方法与学时分配

按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。并进行课后辅导与答疑。以学生掌握主要半导体材料制备为主，辅助半导体物理和器件知识，使学生了解材料的用途，激发学生的学习兴趣。为将来工作和科研打好基础。

课时分配如下：第一章（2学时）、第二章（4学时）、第三章（8学时）、第四章（8学时）、第五章（6学时）、第六章（6学时）、第七章（6学时）、第八章（6学时）、第九章（4学时）、第十章（4学时）

主要内容：

【重点掌握】：区熔原理、晶体生长基本原理、Si、Ge单晶制备、Si外延制备、Si、Ge材料掺杂与控制。

【掌握】：VPE、MBE、MOCVD等外延方法、晶体中的缺陷、缺陷控制、III-V化合物InP、GaN、SiC等基本性质与制作方法。

【了解】： 半导体金刚石的制备、性质、低维半导体、有机半导体材料的性质及引用

【一般了解】： 半导体材料分类 【难点】：区熔原理、晶体生长基本原理

（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：刘贵鹏

审定人： 批准人： 日 期：

第五篇：《半导体器件物理》教学大纲(精)

《半导体器件物理》教学大纲

（2006版）

课程编码：07151022 学时数：56

一、课程性质、目的和要求

半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。

二、教学内容、要点和课时安排

第一章 半导体物理基础（复习）（2学时）

第二节 载流子的统计分布

一、能带中的电子和空穴浓度

二、本征半导体

三、只有一种杂质的半导体

四、杂质补偿半导体

第三节 简并半导体

一、载流子浓度

二、发生简并化的条件

第四节 载流子的散射

一、格波与声子

二、载流子散射

三、平均自由时间与弛豫时间

四、散射机构 第五节 载流子的输运

一、漂移运动 迁移率 电导率

二、扩散运动和扩散电流

三、流密度和电流密度

四、非均匀半导体中的自建场

第六节 非平衡载流子

一、非平衡载流子的产生与复合

二、准费米能级和修正欧姆定律

三、复合机制

四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程

第二章 PN结（12学时）第一节 热平衡PN结

一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结

突变结、缓变结、线性缓变结

二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示 图2.1）

三、空间电荷区、内建电场与电势

四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程

五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势

及PN结空间电荷区两侧的内建电势差

六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）

第二节 加偏压的PN结

一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性

二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象

第三节

理想PN结的直流电流-电压特性

一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系

二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）

第四节 空间电荷区的复合电流和产生电流

一、复合电流

二、产生电流

第五节 隧道电流

一、隧道电流产生的条件

二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）

第六节 IV特性的温度依赖关系

一、反向饱和电流和温度的关系

二、IV特性的温度依赖关系

第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管

一、PN结C-V特性

二、过渡电容的概念及相关公式推导

求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）

三、变容二极管

第八节 小讯号交流分析

一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式

二、扩散电容与交流导纳

三、交流小信号等效电路

第九节

电荷贮存和反响瞬变

一、反向瞬变及电荷贮存效应

二、利用电荷控制方程求解s

三、阶跃恢复二极管基本理论 第十节 P-Ｎ结击穿

一、PN结击穿

二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导

三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题

第三章 双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构

一、了解晶体管发展的历史过程

二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体 图3.1）概述

第二节 基本工作原理

一、理想BJT的基本工作原理 二、四种工作模式

三、放大作用（多媒体Fig3.6）

四、电流分量（多媒体Fig3.7）

五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）

第三节 理想双极结型晶体管中的电流传输

一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布

二、正向有源模式

三、电流增益～集电极电流关系

第四节 爱拜耳斯-莫尔（EbersMoll）方程 一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布

二、E-M模型等效电路

三、E-M方程推导

第五节 缓变基区晶体管

一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用

二、少子浓度推导

三、电流推导

四、基区输运因子推导

第六节 基区扩展电阻和电流集聚

一、基区扩展电阻

二、电流集聚效应

第七节 基区宽度调变效应

一、基区宽度调变效应（EARLY效应）

二、hFE和ICE0的改变

第八节 晶体管的频率响应

一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（，hfe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导

三、影响截止频率的四个主要因素：τB、τE、τC、τD及相关推导

四、Kirk效应

第九节 混接型等效电路

一、参数：gm、gbe、CD 的推导

二、等效电路图（图3－23）

三、证明公式（3－85）、（3－86）

第十节

晶体管的开关特性

一、开关作用

二、影响开关时间的四个主要因素：td、tr、tf、ts

三、解电荷控制方程求贮存时间ts 第十一节 击穿电压

一、两种击穿机制

二、计算机辅助计算：习题 阅读

§3.12、§3.13、§3.14

第四章 金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒

一、肖特基势垒的形成

二、加偏压的肖特基势垒

三、M－S结构的C-V特性及其应用

第二节 界面态对势垒高度的影响

一、界面态

二、被界面态钳制的费米能级

第三节 镜像力对势垒高度的影响

一、镜像力

二、肖特基势垒高度降低

第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性

一、热电子发射

二、理查德-杜师曼方程

第五节 肖特基势垒二极管的结构

一、简单结构

二、金属搭接结构

三、保护环结构

第六节 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管

一、基本结构

二、工作原理

第七节 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较

一、开启电压

二、反向电流

三、温度特性

第八节 肖特基势垒二极管的应用

一、肖特基势垒检波器或混频器

二、肖特基势垒钳位晶体管

第九节 欧姆接触

一、欧姆接触的定义和应用

二、形成欧姆接触的两种方法 第五章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程

一、两种N沟道JFET

二、工作原理

第二节 理想JFET的I-V特性

一、基本假设

二、夹断电压

三、I-V特性

第三节 静态特性

一、线性区

二、饱和区

第四节 小信号参数和等效电路

一、参数：gl gml gm CG

二、JFET小信号等效电路图

第五节JFET的截止频率

一、输入电流和输出电流

二、截止频率

第六节 夹断后的JFET性能

一、沟道长度调制效应

二、漏极电阻

第七节 金属-半导体场效应晶体管

一、基本结构

二、阈值电压和夹断电压

三、I-V特性

第八节 JFET和MESFET的类型

一、N—沟增强型

N—沟耗尽型

二、P—沟增强型

P—沟耗尽型 阅读

§5.8 §5.9 第六章 金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节 理想MOS结构的表面空间电荷区

一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）

二、半导体表面空间电荷区的形成

三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）

四、载流子的积累、耗尽和反型

五、载流子浓度表达式 六、三种情况下MOS结构能带图

七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础

第二节 理想MOS电容器

一、基本假设

二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区

三、沟道电导与阈值电压：定义 公式（6－53）和（6－55）的推导

第三节 沟道电导与阈值电压

一、定义

二、公式（6－53）和（6－55）的推导

第四节 实际MOS的电容—电压特性

一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法

二、平带电压的概念

三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算

五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线

第五节 MOS场效应晶体管

一、基本结构和工作原理

二、静态特性

第六节 等效电路和频率响应

一、参数：gd

gm

rd

二、等效电路

三、截止频率

第七节 亚阈值区

一、亚阈值概念

二、MOSFET的亚阈值概念

第九节 MOS场效应晶体管的类型

一、N—沟增强型

N—沟耗尽型

二、P—沟增强型

P—沟耗尽型

第十节 器件尺寸比例

MOSFET制造工艺

一、P沟道工艺

二、N沟道工艺

三、硅栅工艺

四、离子注入工艺

第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收

一、两种光吸收过程

二、吸收系数

三、吸收限

第二节 PN结的光生伏打效应

一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）

二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）

第三节 太阳电池的I-V特性

一、理想太阳电池的等效电路

二、根据等效电路写出I-V公式，I-V曲线图（比较：根据电流分量写出I-V公式）

三、实际太阳能电池的等效电路

四、根据实际电池的等效电路写出I-V公式

五、RS对I-V特性的影响

第四节 太阳电池的效率

一、计算 Vmp

Imp

Pm

二、效率的概念FFVOCIL100% Pin第五节 光产生电流和收集效率

一、“P在N上”结构，光照，GLOex少子满足的扩散方程

二、例1－1，求少子分布，电流分布

三、计算光子收集效率：colJptJnGO 讨论：波长长短对吸收系数的影响 少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义

第六节

提高太阳能电池效率的考虑

一、光谱考虑(多媒体演示)

二、最大功率考虑

三、串联电阻考虑

四、表面反射的影响

五、聚光作用

第七节

肖特基势垒和MIS太阳电池

一、基本结构和能带图

二、工作原理和特点

阅读 §7.8 第九节 光电二极管

一、基本工作原理

二、P-I-N光电二极管

三、雪崩光电二极管

四、金属－半导体光电二极管

第十节

光电二极管的特性参数

一、量子效率和响应度

二、响应速度

三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）

四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章 发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合

一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合

二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合

第二节 LED的基本结构和工作过程

一、基本结构

二、工作原理（能带图）

第三节 LED的特性参数

一、I-V特性

二：量子效率：注射效率、辐射效率r、内量子效率i，逸出概率o、外量子效率

三、提高外量子效率的途径，光学窗口

四、光谱分布，峰值半高宽 FWHM,峰值波长，主波长，亮度

第四节 可见光LED

一、GaP LED

二、GaAs1-xPx LED

三、GaN LED 第五节 红外 LED 一、性能特点

二、应用

光隔离器

阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章 集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章 电荷转移器件（4学时）第一节 电荷转移

一、CCD基本结构和工作过程

二、电荷转移

第二节 深耗尽状态和表面势阱

一、深耗尽状态—非热平衡状态

二、公式（10-8）的导出

第三节 MOS电容的瞬态特性

深耗尽状态的能带图

一、热弛豫时间

二、信号电荷的影响

第四节 信息电荷的输运 转换效率

一、电荷转移的三个因素

二、转移效率、填充速率和排空率

第五节

电极排列和CCD制造工艺 一、三相CCD 二、二相CCD 第六节 体内（埋入）沟道CCD

一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响

二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理

第七节

电荷的注入、检测和再生

一、电注入与光注入

二、电荷检测

电荷读出法

三、电荷束的周期性再生或刷新

第八节

集成斗链器件

一、BBD的基本结构

二、工作原理

三、性能

第九节 电荷耦合图象器件

一、行图象器

二、面图象器

三、工作原理和应用

三、教学方法

板书、讲授、多媒体演示

四、成绩评价方式

闭卷考试加平时作业、课堂讨论

五、主要参考书目

1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著 《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。

2、S M Sze.《半导体器件:物理和工艺》。王阳元、嵇光大、卢文豪译。北京：科学出版社，1992

3、S M Sze.《现代半导体器件物理》科学出版社 2001年6月第一次印刷

4、爱得华·S·扬 《半导体器件物理基础》，卢纪译。北京：人民教育出版社，1981

5、刘文明 《半导体物理学》长春：吉林人民出版社，1982

6、孟宪章，康昌鹤.《半导体物理学》长春：吉林大学出版社，1993

7、R A史密斯.《半导体》(第二版).高鼎三等译。北京：科学出版社，1987

8、Casey H C,Panish Jr M B.Heterostructure lasers.Academic Press,1978

9、Donald A·Nermen著《半导体物理与器件》 赵毅强，姚淑英，谢晓东译 电子工业出版社，2005年2月第一次印刷