高一物理半导体教案

第一篇：高一物理半导体教案

第十二节 电阻的测量（2）

教学目的：（1）掌握伏安法测电阻的原理，方法。

（2）了解欧姆表的基本构造，简单原理和测量电阻的方法。教 具：万用表一个，电阻若干

课时安排：伏安法1课时；欧姆表法1课时.教学过程：

引入新课：电阻值是导体的一个重要特性，测量导体的电阻值有很多用途，我们发展了许多测量电阻值的方法。现在只介绍其中的两种方法：伏安法和欧姆表法。

新课教学: 1.伏安法:(1)一般地说,一个物理量的定义就告诉了我们测量它的方法.伏安法测电阻是根据电阻的定义来的.设 问: 电阻是如何定义的?(要求学生回答R=U/I)说 明: 根据定义可知只要测出电阻两端的电压UR和通过电阻的电流IR就可以算出电阻值Rx=UR/IR..这种测量电阻的方法叫做伏安法.(注意:用符号UR,IR是为了准确表达电阻上的电压和电阻中通过的电流)(2)具体测量时应在待测电阻Rx上加一电压,再用伏特表,安培表测电压,电流.(引导学生画出图甲和图乙所示的两种测量电路)指 出:（甲）图叫安培表外接法，（乙）图叫安培表内接法。

说 明： 我们认为待测电阻值就等于电压表读数

与安培表读数之比.设 问:（甲）（乙）两图测量的电阻值相同吗? 引导学生讨论,总结讨论结果时明确下述问题.按照定义Rx=UR/IR 但实际上电压表,电流表都有一定的电阻.对(甲)图,伏特表指示的电压UV等于电阻两端的电压UR,即UV=UR.安培表指示的电流IA等于通过电阻和伏特表电流之和,即IA=IR+IV.故(甲)图测得的电阻值Rx甲=UV/IA=UR/(IR+IV)＜待测电阻的真实值Rx=UR/IR

即RX甲＜Rx.对（乙）图,伏特表指示的电压UV等于电阻和安培表的电压之和,即UV=UR+UA.安培表指示的电流等于通过电阻的电流,即IR=IA.故（乙）图测得的电阻值Rx乙=UV/IA=(UR+UA)/IR＞电阻的真实值Rx

即Rx乙＞Rx.设问(甲)（乙）两图的测量都有误差,为了减小误差我们应该选(甲)图还是选（乙）图的电路来测量呢? 要求学生根据上述思想得到结论: RX＜＜RV时：用(甲)图电路测量误差小,且总是偏小.RX＞＞RA时：用（乙）图电路测量误差小,且总是偏大.(3)例题分析: 设已知伏特表电阻RV=5000欧,安培表电阻RA=0.2000欧

①待测电阻RX约为几欧,应采用哪个电路图来测理电阻?(甲)如电压表示数为2.50伏,电流表示数为0.50安,则Rx的测量值是多少?(5.0欧)RX的准确值是多少?(5.01欧)②若待测电阻RX约为几百欧,应采用哪个电路图来测量?(乙)如电压表示数为16.0伏,安培表示数为0.080安.求RX的测量值和准确值(200欧；199.8欧)作

业：《高二物理》P62（1）（2）

2．欧姆表

提出：伏安法测电阻的缺点除了测量原理上带来的误差外，还要同时应用两个电表：电压表和安培表，也不方便.实际中常用欧姆表粗测电阻值.(1)欧姆表测电阻的原理:是闭合电路欧姆定律.如图所示:I=ε/(r+Rg+Rx).如已知电池电动势ε,内电阻r,电流表内阻Rg,则只要测电流I就可算出待测电阻值Rx.(2)欧姆表的基本构造: 如图所示:电池(ε,r)与电流表(Rg),可变电阻(R)串联.红表笔接电池负极 黑表笔通过R,Rg接电池正极.Ⅰ:红黑表笔短路时 Rx=0,调整R使电表满偏.Ig=ε/(Rg+r+R)电流表指针满偏时 表明Rx=0 我们把Rg+r+Rx叫欧姆表的中值电阻R内 Ⅱ:红黑表笔不接触时

I=0指针不发生偏转,即指着电流表的零点.Rx=∞ Ⅲ:红黑表笔间接上待测电阻Rg时

电流I=ε/Rg+R+r+Rx 已知ε和R内,测出I就可算出Rx Rx改变,I随着改变.可见每一个Rx值都有一个对应的电 流值I.如果我们在刻度盘上直接标出与I对应的电阻Rx 的值,那么只要用红黑表笔分别接触待测电阻的两端,就可 以从表盘上直接读出它的阻值.说明:欧姆表的刻度值与伏特表和安培表不同.欧姆表是反刻 度的.指针满偏时Rx=0,指针不动时Rx=∞；欧姆表的刻度不 均匀.(3)使用方法: 选择合适档位: 根据Rx的估计值选择合档位使指针在中点附

近,这样测量值精确些.(改变中值电阻)调 零: 红黑表笔短路,调整调零电阻使指针满偏.测量 读数: 说明:用欧姆表来测电阻是很方便的,但是电池用久了,它的电 动势和内电阻都要变化,那时欧姆表指示的电阻值,误差就相 当大了,所以欧姆表只能用来粗测电阻.用欧姆表测量电阻时,一定要使被测电阻同其它电路脱离开.作 业:预习《高二物理实验报告》练习用多用电表测量电阻

第二篇：56半导体物理基础电子教案

第5,6学时

 授课题目（教学章节或主题）：半导体物理基础。本授课单元教学目标或要求：

掌握半导体特性、载流子的运动、PN结以及三种光电效应；了解能带理论、PN结的三种接触方式。

 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： * 基本内容：

引入：

光电器件：半导体制作而成。理论基础很重要，有助于深入理解其原理及灵活运用。关于半导体的物理基础，许多专门著作都有系统的论述。这里仅介绍与光电器件有关的半导体物理基础知识。

自然界中的物质：气体、液体或固体。这里主要是讨论可以制作光电器件的固体半导体材料。

固体：

按其原子排列，可以分成晶体与非晶体两类；

按导电能力，则可分成导体、绝缘体和半导体三种。

-6-3导体：l0一10Ω·cm范围内的物质称为(如银、铜、铝、铁等金属)；

12绝缘体：电阻率在10Ω·cm以上的物质称为(如塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等)； 半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。

它们三者之间虽然在电阻率的区分上无绝对明确的界限，但在性质上却有极大的差别。由于半导体具有许多特殊的性质，因而在电子工业与光电工业等方面占有极其重要的地位。

（一）半导体的特性

1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十分敏感；

衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1°C时电阻值发生变化的百分数。如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1 ~ t2温度范围内的(平均)温度系数为a，如果R2 > R1，则 a > 0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2 < R1，则 a < 0，将R称为负温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然 a 的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。

大多数半导体都具有负的温度系数，温度低时，半导体中的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

也有一些不是用半导体制成的特殊的光电器件具有负温度系数。如，NTC热敏电阻器。

NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。

所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因此，也具有负温度系数。

NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10Ω~1000000Ω，温度系数-2%~-6.5%。

NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化；

-6-1-1如纯硅在室温下的电导率为5×10Ω·cm，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时；其纯度虽仍高达99．9999％，但电导率却上升至2Ω·cm，几乎增加了一百万倍！此外，随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；掺入锑可得到N型半导体。

3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界总有的影响而发生非常重要的变化。

例如沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧，甚至更小。

常见的半导体材料有硅、锗、硒等元素半导体，砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化姻(InSb)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半导体，如砷化镓—磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等等。利用半导体的特殊性质，制成了热敏器件、光电器件、场效应器件、体效应器件、霍耳器件、红外接收器件、电荷稠合器件、摄象管及各种二极管、三极管、集成电路等半导体器件。下面将重点介绍有关光电器件。

为了解释固体材料的不同导电特性，人们从电子能级的概念出发引入了能带理论。它是半导体物理的理论基础，应用能带理论可以解释发生在半导体中的各种物理现象和各种半导体器件的工作原理。

1二、能带理论

1、原子中电子的能级

大家知道，原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成。这些电子环绕着原子核在各自的轨道上不停地运动着。根据量子论，电子运动有下面三个重要特点：

(1)电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。图2-7是硅原子中电子绕核运动的轨道及与其相应的能级示意图。原子中14个电子分别有14种不同的量子态，分布在离原子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，电子受原子核束缚越弱，能量越高。电子可以吸收能量从低能级跃迁到高能级上去。电子也可以在一定条件下放出能量重新落回到低能级上来。但不可能有介于各能级之间的量子态存在。

量子态是由一组量子数表征，这组量子数的数目等于粒子的自由度数。

(2)由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。但为方便起见，我们仍用“轨道”这个词，这里的“轨道”所代表的是电子出现几率最大的一部分区域。

(3)在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。此外，电子首先填满最低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。

2、晶体中电子的能带

晶体：原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成在结晶过程中形成具有一定规则的几何外形的固体。

晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。

晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。

晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。

吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是非晶体。晶体离我们并不遥远，它就在日常生活中。

晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。

当原子结合成晶体时，因为原子之间的距离很近，不同原子之间的电子轨道(量子态)将发生不同程度的交迭。晶体中两个相邻原子的最外层电子的轨道重迭最多。这些轨道的交迭，使电子可以从一个原子转移到另一个原子上去。结果，原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有的了，而是可以在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化。晶体中原子内层和外层电子的轨道交迭程度很不相同。越外层电子的交迭程度越大，且原子核对它的束缚越小。因此，只有最外层电子的共有化特征才是显著的。

晶体中电子虽然可以从一个原子转移到另一个原子，但它只能在能量相同的量子态之间发生转移。所以，共有化的量子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系。由于电子的这种共有化，整个晶体成了统一的整体。因此，如图2-8，N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N个单个原子的相同能级必须对应分裂的N个能量稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域。

我们将这能量区域中密集的能级形象地称为能带。由于能带中能级之间的能量差很小，所以通常可以把能带内的能级看成是连续的。在一般的原子中，内层电子的能级都是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这些内层的能级相对应的能带也是被电子所填满的。在理想的绝对零度下，硅、锗、金刚石等共价键结合的晶体中，从其最内层的电子直到最外边的价电子都正好填满相应的能带。能量最高的是价电子填满的能带，称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的带常称为导带。价带与导带之间的区域称为禁带。图2-9所示为绝缘体、半导体、导体的能带情况。一般，绝缘体的禁带比较宽，价带被电子填满，而导带一般是空的。半导体的能带与绝缘体相似，在理想的绝对零度下，也有被电子填满的价带和全空的导带，但其禁带比较窄。正因为如此，在一定的条件下，价带的电子容易被激发到导带中去。半导体的许多重要特性就是由此引起的。而导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带的下半部分，而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。

上面关于能带形成的通俗论证是十分粗糙而不严格的。能带和原子能级之间的对应关系，并不象图2-8那样单纯，也并不永远都是一个原子能级对应于一个能带。并且，能带图并不实际存在，而只是用来着重说明电子的能量分布情况。关于这方面的较严格的论证，可参考有关资料。

3．半导体的导电机构

当在一块半导体的两端加上电压后，则价电子在无规则的热运动基础上迭加了由电场引起的定向运动，形成了电流，并且它的运动状态也发生了变化，因而其运动能量必然与原来热运动时有所不同。在晶体中，根据泡利不相容原理，每个能级上最多能容纳两个电子。因此，要改变晶体中电子的运动状态，以便改变电子的运动能量，使它跃迁到新的能级中去，一般需要满足两个条件：一是具有能向电子提供能量的外界作用；二是电子要跃入的那个能级是空的。

由于导带中存在大量的空能级，当有电场作用时，导带电子能够得到能量而跃迁到空的能级中去，即导带电子能够改变运动状态。这也就是说，在电场的作用下，导带电子能够产生定向运动而形成电流。所以导带电子是可以导电的。

如果价带中填满了电子而没有空能级，在外加电场的作用下，电子又没有足够能量激发到导带，那么，电子运动状态也无法改变，因而不能形成定向运动，也就没有电流。因此，填满电子的价带中的电子是不能导电的。如果价带中的一些电子在外界作用下跃迁到导带，那么在价带中就留下了缺乏电子的空位。可以设想，在外加电场作用下，邻近能级的电子可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上又出现了新的空位。以后，其它电子又可以再跃入这些新的空位，这就好象空位在价带中移动一样，只不过其移动方向与电子相反罢了。因此，对于有电子空位的价带，其电子运动状态就不再是不可改变的了。在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动上迭加了定向运动，从而形成了电流。

导带和价带电子的导电情况是有区别的，即：导带的电子愈多，其导电能力愈强；而价带的电子的空位愈多，即电子愈少，其导电能力就愈强。为了处理方便，我们把价带的电子空位想象为带正电的粒子。显然，它所带的电量与电子相等，符号相反。在电场作用下，它可以自由地在晶体中运动，象导带中的电子一样能够起导电作用，这种价带中的电子空位，我们通常称之为空穴。由于电子和空穴都能导电，一般把它们统称为载流子。

4、本征半导体导电特性

完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。它的能带图如图2—10所示。其中图(a)是假设在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界作用的本征半导体能带图。此时，导带没有电子，价带也没有空穴。因此，这时的本征半导体和绝缘体一样，不能导电。但是，由于半导体的禁带宽度Eg较小，因而在热运动或其它外界因素的作用下，价带的电子可激发跃迁到导带，如图2-10(b)所示。这时，导带有了电子，价带也有了空穴，本征半导体就有能力导电了。电子由价带直接激发跃迁到导带称为本征激发。对于本征半导体来说，其载流子只能依靠本征激发产生。因此，导带的电子和价带的空穴是相等的。这就是本征半导体的导电机构的特性。本征激发（热激发）：共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子的过程。

本征激发使半导体内不断产生电子和空穴，同时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾的对立统一，使半导体在一定温度下达到载流子数目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和空穴这种状态称为热平衡。

必须指出，常温下本征半导体中的电子、空穴是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的，所以它不能直接用来制造晶体管。

5、杂质半导体

在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导体的导电性能发生显著的变化，使它具有制造晶体管时所需要的特性，并且因掺入杂质元素的不同，可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体(P型半导体)两大类（均成电中性）。

①P型半导体

如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或铝等)，就能得P型半导体，当硼(B)原子占据硅原子的位置并和四个相邻的硅原子共价结合时，由于硼只有三个价电子，要从附近硅原子中拿一个价电子来填补，这祥就在这个硅原子中产生了一个空穴，掺入的每一个硼原子都产生一个空穴，所以掺杂的半导体中空穴的数目就大大增加．

由于这些杂质原子必须接受一个电子才能与相邻的四个原子组成共价键，所以三价元素的硼叫做受主杂质，接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这种半导体主要是靠空穴导电的，所以也叫空穴型半导体。

②N型半导体

在纯净的硅(或锗)中掺入少量的五价元素杂质后，如磷(P)、砷(As)等，就能得到N型半导体。如在硅中掺入少量的磷(P)，则磷原子跑到硅里面去，它要占据原来硅原子的位置。磷原子拿出五个价电子中的四个与相邻硅原子组成共价键还多余一个价电子没有参加共价键，该价电子只受到磷原子核的吸引，在常温下很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。

如图所示。可见，掺入多少个磷原子就能产生多少个自由电子，杂质浓度越大，半导体中自由电子数就越多。(三)PN结与载流子的运动

1、PN结

PN结就是P型半导体和N型半导体交界的地方，这个交界处虽然很薄，但有许多特殊的电性能，它是晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件的核心部分。因此，它是整个半导体器件最重要的概念之一。

在一块半导体晶体的不同部位掺入不同的杂质，使得这块晶体的一部分呈P型半导体，另一部分呈N型半导体，则在P型和N型的交界处就形成了PN结。

2、载流子的运动（扩散和漂移）

当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在它们交界的地方就要发生电子和空穴的扩散运动。因P区有大量的空穴(电子很少)，N区有大量的电子(空穴很少)这样，在P型和N型半导体的交界处就出现了浓度差，电子和空穴都要向浓度小的地方运动。形成空间电荷区，即如下图所示的内建电场： 内建电场阻碍空穴和电子的继续扩散，对空穴来说，电场力要把空穴推到P区，对电子来说，电场力要把电子拉到N区，电场力对载流子的这种作用叫做漂移作用．

由此可见，漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾，有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状态，形成PN结。

由于空间电荷区存在着电场，所以在空间电荷区的两边就有电位差，这个电位差叫做接触电位差，通常也称为内建电势。一般硅PN结的接触电位差为0.5-0.8V，锗PN结的接触电位差为0.1-0.3V．

3、PN结的单向导电特性

如果在PN结上加一电压，当P区接正而N区接负时就有一定的电流通过，并且随外加电压的升高电流迅速增大；当P区接负而N区接正时，电流就很微小并且电流数值与外加电压关系不大。这就是PN结的单向导电特性。

P区接正N区接负，叫正向运用，这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压；P区接负N区接正，叫反向运用，这时的外加电压称反向电压或反向偏置电压。

①PN结加正向电压

由于阻挡层的电阻远大于P区和N区的体电阻，所以整个外加电压基本上全部加在阻挡层上．此时，外加电压产生的电场与内建电场方向相反，从而使PN结中总的电场减弱，这样PN结的平衡状态被破坏，P区中的空穴就不断地穿过空间电荷区向N区移动，而N区的电子也不断地穿过空间电荷区向P区移动。

虽然电子和空穴的运动方向相反，但它们所形成的电流却是相加的，即正向电流等于电子电流与空穴电流之和，从而形成比较大的正向电流，如图所示。

当P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动时，它们首先就要和PN结中原来的一部分正负离子中和，结果使PN结变窄，其接触电位差比原来平衡时的数值减少了。当正向电压升高时，PN结中的电场就减弱得更多，P区移向N区的空穴就愈多，N区移向P区的电子也增多，因此正向电流随正向电压的增加而迅速上升。PN结表现为一个很小的电阻。

②PN结加反向电压

N区接电源的正极，P区接电源的负极，这是PN结反向运用的情况。此时，外加电压产生的电场方向与内建电场的方向一致，PN结中总的电场加强了。在外加电场的作用下，阻挡层左边P区的空穴和阻挡层右边N区的电子都将进一步离开PN结，于是阻挡层(空间电荷区)加宽了，阻挡层两端的电位差也增加了．因此，P区和N区的多数载流子穿过阻挡层的扩散运动受阻，由多数载流子形成的电流等于零。

实际上，PN结在反向工作时还有一定的微小电流，这是由P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴)在电场力的作用下形成的．称为PN结的反向电流，它的大小与外加电压基本无关，但它随温度而变化．由于反向电流一般很小(因P区的电子和N区的空穴很少)，PN结表现为一个很大的电阻，所以仍认为PN结外加反向电压时基本上不导电．

综上所述，PN结加正向电压时，PN结电阻很小，电流畅通；PN结加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，接近于零，PN结不导通。所以，PN结具有单向导电特性．

必须指出，由于热运动产生的少数载流于所形成的反向电流，当温度升高时，因热激发增强而会使反向电流急剧增加，这是造成PN结工作不稳定的原因，在实际应用中必须注意这个问题．

当加到PN结上的反向电压超过一定数值时，反向电流就有明显的增加，甚至突然猛增，这种现象叫PN结的击穿。PN结击穿后，其单向导电特性遭到了破坏，同时可能因反向电流过大而使PN结烧坏。

击穿并不一定是坏事。在电子线路中常用的硅稳压管就利用了击穿现象。因为它击穿以后，通过PN结的电流可以有相当大的变化而其两端电压却变化很小，所以起到了稳压作用。另外，PN结击穿了并不等于就坏了，只要在线路中接一个保护电阻，使反向电流不超过PN结所容许的最大电流，则反向电压减小后PN结是可以恢复的。

(四)半导体异质结

由于半导体外延技术的发展，从60年代开始，可以将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一块晶体上，且可以按人们的意志做成突变的或缓变的结，这种由两种不同质的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结

按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同一基座上。例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1)量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2)迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

异质结

(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。

五、半导体对光的吸收

物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。那些被物体所吸收的光，将改变物体的一些性能。

1、本征吸收

半导体材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，这种吸收就称为本征吸收。

2、杂质吸收

处于杂质能级中的电子与空穴，也可以引起光的吸收。N型半导体未电离的杂质原子，吸收光子能量hν 大于电离能ΔED，则杂质原子的外层电子将从价带跃入导带，成为自由电子；P型半导体吸收光子能量hν大于ΔEA，则价电子产生电离，成为空穴，即称杂质吸收。

不同的电离能有不同的长波限，掺杂的杂质不同，吸收就可以在很宽的波段内产生。

3、激子吸收

在某些情况下，电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动．形成可动的电子—空穴对，称为激子。

激子的能量小于自由电子的能量，因此能级处在禁带中。激于子作为一个整体可以在晶格内自由运动，然而它是电中性的，不能产生电流。

4、自由载流子吸收

在半导体材料的红外吸收光谱中发现，在本征吸收限长波测还存在着强度随波长而增加的吸收。这种吸收是由于自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁而引起的，因此称为自由载流子吸收。

当半导体处于足够低的温度中时，电子与晶格的联系显得非常微弱．此时吸收的辐射，使载流子在带内的能量分布发生显著变化。这种现象虽不引起载流子浓度的变化，但由于电子的迁移率依赖于能量，所以上述过程导致迁移率改变．从而使这种吸收引起电导率的改变。

5、晶格吸收

在这种吸收过程中，光子直接转变成晶格原子的振动。宏观上表现为温度升高，引起物质的热敏效应。

以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能产生光电效应。

* 重点：

半导体特性、载流子的运动、PN结以及三种光电效应。* 难点：

能带理论、PN结的三种接触方式。

* 引导学生解决重点难点的方法、例题： 通过结合现实生活，加强学生对知识的理解。

 本授课单元教学手段与方法：

本堂课是理论课，采用PPT课件讲授以及结合现实生活。 本授课单元思考题、讨论题、作业：

1、详细讨论光电发射过程；

2、PN结的不断发展主要解决哪些问题？

 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

[1] 吴杰编著，《光电信号检测》，哈尔滨工业出版社，1990 [2] 高稚允等编著，《光电检测技术》，国防工业出版社，1995

第三篇：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

第四篇：半导体物理物理教案(03级)

课 程 教 案

学院、部：材料与能源学院

系、所；微电子工程系

授课教师：魏爱香，张海燕

课程名称；半导体物理

课程学时：64

实验学时：8

教材名称：半导体物理学

2005年9-12 月

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.1半导体中的晶格结构和结合性质

1.2半导体中的电子状态和能带

本授课单元教学目标或要求：

了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型结构

2．原子的能级和晶体的能带

3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点）

4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点）

研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的回顾。

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：44页1题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.3半导体中的电子运动——有效质量

1.4本征半导体的导电机构——空穴

本授课单元教学目标或要求：

理解有效质量和空穴的物理意义，已知e（k）表达式，能求电子和空穴的有效质量，速度和加速度

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．半导体中e（k）与k的关系（重点，难点）

2．半导体中电子的平均速度

3．半导体中电子的加速度

4．有效质量的物理意义（重点，难点）

5．本征半导体的导电机构— 空穴（重点）

补充2各课外讨论题和例题

1.2.出版社2005

3.2002

4.本授课单元教学手段与方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页2题，补充课外作业题1个 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.5 回旋共振（了解）

1.6 硅和锗的能带结构（了解）

1.7 ⅲ-ⅴ族化合物半导体的能带结构（了解）

1.8 ⅱ-ⅵ族化合物半导体的能带结构（了解）

1.9 si1-xgex合金的能带结构（了解）

1.10宽带隙半导体材料（了解）

本授课单元教学目标或要求：

对于给定的能带图能确定导带底，价带顶的位置及能隙的大小，能辨别能带的简并度 了解各种半导体材料的能带结构特点。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． k空间的等能面

2．介绍硅、锗、ⅲ-ⅴ族化合物、ⅲ-ⅴ族化合物、si1-xgex合金和宽带隙半导体材料的能带图 本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：44页3，4题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第二章半导体中的杂质和缺陷能级（4学时）

2.1硅、锗晶体的杂质能级（掌握）

本授课单元教学目标或要求：

掌握硅、锗晶体中的施主杂质和施主能级，受主杂质和受主能级和深能级杂质

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．替位式杂质 间隙式杂质

2．施主杂质、施主能级（重点）

3．受主杂质、受主能级（重点）

4．浅能级杂质电离能的简单计算

1.2.出版社2005 ．杂质的补偿作用（重点）．深能级杂质 本授课单元教学手段与方法： 采用ppt课件讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 思考题：习题6 讨论题：习题1 作业题：习题2，3，7 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第二章半导体中的杂质和缺陷能级（4学时）

2.2 iii—v族化合物的杂质能级（了解）

2.3缺陷、位错能级（了解）

本授课单元教学目标或要求：

了解以gaas为代表的iii—v族化合物半导体中杂质能级的情况。

了解半导体中的缺陷和位错的能级

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 概括叙述各类杂质（ⅰ族元素，ⅱ族元素，ⅲ族元素，ⅳ族元素，ⅴ族元素，ⅵ族元素和过渡元素）在iii—v族化合物gaas和gap中的杂质能级。

介绍半导体中的点缺陷和位错。

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：62页7题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.1状态密度

3.2费米能级和载流子的统计分布

本授课单元教学目标或要求：

理解k空间和状态密度的意义，掌握在k空间中电子态密度的计算方法

理解半导体中费米能级的物理意义，掌握费米分布函数和玻耳滋蔓分布函数的意义及其应用 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． k空间中量子态的分布

2． 状态密度（重点）

3． 费米分布函数的表达式、意义及应用（重点，难点）

4． 费米能级的物理意义（重点，难点）

5． 玻耳滋蔓分布函数的意义及其应用（重点，难点）

这一次课的重点是让学生理解和掌握这些基本的物理概念，为后续章节的学习打好基础，所以课堂上主要通过5个课外实例的分析和解答加深对这些概念的理解和应用。

例题：5个，见讲稿。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题2题和3题 作业题：习题1题和4题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.2费米能级和载流子的统计分布

3.3本征半导体的载流子浓度

本授课单元教学目标或要求：

掌握导带中电子浓度和价带中的空穴浓度的计算方法，能熟练应用电子浓度和空穴浓度的公式分析问题、解决问题。理解和掌握本征半导体中的载流子浓度和费米能级的计算方法

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． 导带中电子浓度的公式推导、结果分析和应用（重点，难点）

2． 价带中空穴浓度的公式推导、结果分析和应用（重点，难点）

3． nc和nv的物理意义

4． 本征半导体的费米能级和载流子浓度（重点，难点）

结合上次课的物理概念，推导导带电子和价带空穴的浓度的计算公式，这是半导体中最重要的公式之一。交代清楚每一步的物理意义就容易理解推导的过程和结果。重点要求学生掌握结果的分析和应用。举3个实例让学生掌握公式的应用方法。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：补充 作业题：习题6题和7题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.4杂质半导体的载流子浓度

本授课单元教学目标或要求：

理解和掌握杂质半导体中的载流子浓度和费米能级在不同温度和不同掺杂浓度下的计算和分析方法，并能用图示的方法画出不同温度下杂质的电离和载流子分布的示意图，能画出费米能级和载流子浓度随温度和掺杂浓度的变化图

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．杂质能级上的电子和空穴

2．n型半导体的载流子浓度：分五个温区分析，分别是低温弱电离区，中间电离区，强电离区，过渡区和高温本征激发区（重点和难点）

3.上述分析方法和结果可类比于p型半导体

4．少数载流子的浓度

课堂上尽可能把抽象的结果用直观图示的方法表达出来，结合2个实例教学生分析问题的方法。本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：补充题 作业题：习题9，13

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.4杂质半导体的载流子浓度

3.5一般情况下的载流子统计分布

本授课单元教学目标或要求：

一节课用于复习总结上次课的重点，再讲2个例题，加深学生对问题的理解和掌握。

理解在同时含有失主和受主杂质的半导体中，利用电中性条件，求解不同温度下载流子浓度和费米能级位置的方法

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．总结和分析3.4节的主要结果，讲解例题

2．分析在同时含有失主和受主杂质的一般情况下，求解不同温度下载流子浓度和费米能级位置的方法（难点）

着重分析物理方法和思想，不需记忆很烦琐的数学公式。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

讨论题：习题15 作业题：习题14，18

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.6简并半导体

本授课单元教学目标或要求：

理解简并半导体的定义和简并化的条件；掌握简并半导体载流子浓度的计算方法。了解低温载流子冻析效应和禁带变窄效应。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． 简并半导体的载流子浓度

2． 简并化条件（重点）

3． 低温载流子冻析效应

4．禁带变窄效应

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：习题20，21

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

习题课

本授课单元教学目标或要求：

总结第一到第三章的主要概念、理论和公式

讲解习题中存在的主要问题，讲解课外例题

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 总结第一到第三章的主要概念、理论和公式

讲解习题中存在的主要问题，讲解课外例题

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

1.2.出版社2005

3.2002

4.5 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：复习1-3章。本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 ．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四章半导体的导电性

4.1载流子的漂移运动和迁移率

4.2载流子的散射

本授课单元教学目标或要求：

理解半导体中的漂移运动和描述漂移运动的物理量-迁移率，掌握半导体的电导率与迁移率的关系式。理解半导体中载流子散射的概念，了解半导体中主要的散射机构。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． 欧姆定律的微分形式

2． 半导体中的漂移运动-漂移速度和迁移率（重点）

3．半导体的电导率和迁移率的关系（重点）

4．载流子散射的概念

5．半导体中主要的散射机构

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题1 讨论题： 作业题：习题2，4，7

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四章半导体的导电性

4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系

4.4电阻率及其与杂质浓度和温度关系

本授课单元教学目标或要求：

掌握半导体的迁移率与杂质浓度和温度的关系

掌握半导体的电阻率与杂质浓度和温度关系

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．平均自由时间和散射概率的关系

2． 迁移率与平均自由时间的关系

3． 迁移率与杂质和温度的关系（重点）

4． 电阻率与杂质浓度的关系（重点）

5． 电阻率随温度的变化（重点）

例题：144页9，16，17

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题12 讨论题： 作业题：习题13，15，18

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5.1非平衡载流子的注入与复合 5.2非平衡载流子的寿命

5.3准费米能级

本授课单元教学目标或要求：

理解非平衡载流子的概念，非平衡载流子的产生、复合和寿命；理解小注入和大注入的概念和条件，理解准费米能级的概念和非平衡状态下载流子浓度的表达式

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．非平衡载流子的概念

2．举例说明非平衡载流子的产生和复合过程（重点）

3．小注入和大注入的概念和条件

4．非平衡载流子的寿命（重点）

5．准费米能级（难点）

6．非平衡状态下载流子浓度的表达式（重点）

上述这些概念是半导体物理中最重要的基本概念，这次课的重点是让学生理解和掌握这些概念及其物理意义。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题1 讨论题：习题6 作业题：习题2，4，7

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5．4 复合理论

本授课单元教学目标或要求：

理解半导体中的直接复合、间接复合、表面复合和俄歇复合的基本概念。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．直接复合 2．间接复合 3．表面复合 4．俄歇复合 本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题： 1 讨论题：习题8 作业题：习题9，10，12

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

5.5.6

际问题 授课类型：理论课 授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第五章非平衡载流子 陷阱效应 载流子的扩散运动 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体的陷阱效应 理解和掌握非平衡少数载流子的稳定扩散方程，能用扩散方程求解实

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．陷阱效应

2．非平衡少数载流子的扩散定律

3．非平衡少数载流子的稳态扩散方程（重点）

4．稳态扩散方程的应用（重点，难点）

举例讲解稳态方程的应用，基本方法：根据具体问题写出稳态方程的具体表达式和边界条件写出方程的通解，代入边界条件求具体的解。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

讨论题：15 作业题：习题13，14，16

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5.7载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式

5.8连续性方程式

本授课单元教学目标或要求：

理解载流子的漂移运动和漂移电流表达式

掌握爱因斯坦关系式

掌握连续性方程及其应用

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．载流子的漂移运动

2．爱因斯坦关系式（重点）

3．连续性方程式（重点，难点）

1.2.出版社2005 ． 连续性方程应用举例（难点）通过例题分析让学生学习连续性方程及其应用 本授课单元教学手段与方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 思考题：习题15 讨论题： 作业题：补充2个课外作业题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四、五章习题课

本授课单元教学目标或要求：

对第四、第五章的基本概念、理论和公式进行总结

讲解第四、五章的习题课

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．对第四、第五章的基本概念、理论和公式进行总结

2．讲解第四、五章的习题课

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：复习第四、第五章的内容。

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课 授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第六章 pn结

6．1 pn结及其能带图

本授课单元教学目标或要求：

掌握pn结的形成过程、能带图、接触电势差和和载流子的分布

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． pn结的形成和杂质分布

2． pn结的能带图(重点，难点)

3． pn结的接触电势差（重点）

4． pn结的载流子分布(重点，难点)

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

1.2.出版社2005

3.2002

4.5 本授课单元思考题、讨论题、作业： 讨论题：习题2，3 作业题：习题1，补充1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 ．曾谨言，《量子力学》科学出版社

第五篇：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》