1、 1 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
2、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
3、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 半导体的晶格结构和结合性质 第二节 半导体中的电子状态和能带 第三节 半导体中电子的运动 有效质量 第四节 本征半导体的导电机构 空穴 第五节 回旋共振 第六节 硅和锗的能带结构 2 第七节 III-V 族化合物半导体的能带结构 第八节 II-VI 族化合物半导体的能带结构 第九节 Si1-xGex合金的能带 第十节 宽禁带半导体材料 （一）
4、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
5、和缺陷能级 第一节 硅、锗晶体中的杂质能级 第二节 III-V 族化合物中的杂质能级 第三节 氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级 第四节 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
6、。 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 状态密度 第二节 费米能级和载流子的统计分布 第三节 本征半导体的载流子浓度 第四节 杂质半导体的载流子 浓度 第五节 一般情况下的载流子统计分布 第六节 简并半导体 第七节 电子占据杂质能级的概率 （一）教学方法与学时分配 3 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
7、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
8、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 载流子的漂移运动 和 迁移率 第二节 载流子的散射 第三节 迁移率与杂质浓度和温度的关系 第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 第五节 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论 第六节 强电场下的效应 、 热载流子 第七节 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
9、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 非平衡载流子的注入与复合 第二节 非平衡载流子的寿命 第三节 准费米能级 第四节 复合理论 第五节 陷阱效应 第六节 载流子的扩散运动 第七节 载流子的漂
10、移运动，爱因斯坦关系式 第八节 连续性方程式 第九节 硅的少数载流子寿命与扩散长度 4 （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
11、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 pn 结及其能带图 第二节 pn 结电流电压特性 第三节 pn 结电容 第四节 pn 结击穿 第五节 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
12、 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
13、 5 第一节 表面态 第二节 表面电场效应 第三节 MIS 结构的 C-V 特性 第四节 硅 -二氧化硅系统的性质 第五节 表面电导及迁移率 第六节 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
14、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 半导体 异质结及其能带图 第二节 半导体异质 pn 结的电流电压特性及注入特性 第三节 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性 第四节 半导体应变异质结构 第五节 GaN 基半导体异质结构 第六节 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
15、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 半导体的光学常数 第二节 半导体的光吸收 第三节 半导体的光电导 第四节 半导体的光
16、生伏特效应 第五节 半导体发光 第六节 半导体激光 第七节 半导体异质结在光电子器件中的应用 6 （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
17、 ， 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
18、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。 7 （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
19、 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：
