固体与半导体物理教学大纲

本课程系统讲述半导体物理的基础理论、概念和方法及其应用，内容主要涵盖了与硅集成电路技术相关的半导体材料和器件物理基础及其应用，包括：半导体的基本性质、平衡态半导体的物理基础、非平衡半导体中载流子的运动规律、半导体pn结、金属/半导体接触与异质结、半导体MIS结构、半导体的光学性质及霍耳效应等。通过本课程的学习，为半导体器件原理、光电子器件、半导体集成电路等后续课程的学习奠定必要的理论基础。

二、课程重点难点与解决办法

课程重点：(1)半导体中的电子运动、有效质量；(2)半导体中的杂质类型及形成；(3)状态密度的概念，费米能级和载流子的统计分布；(4)电导率与迁移率的关系；(5)非平衡载流子的产生、复合及动态过程；(6)pn结理论；(7)金属半导体接触及其能级图；(8)表面态及表面电场效应；(9)半导体异质结的概念；(10)霍耳效应的概念。

课程难点：纯粹的数学推导很多，物理概念复杂抽象，要求学生数学基础较好，逻辑思维和抽象思维能力较强。包括如下的难点：(1)半导体中的杂质能级； (2)迁移率与杂质浓度和温度的关系，电阻率及其杂质浓度和温度的关系；(3)准费米能级，复合理论，载流子的扩散运动及爱因斯坦关系，连续性方程； (4)金属半导体接触整流理论； (5)半导体异质pn结能带图及电流电压特性；(6)pn结的光生伏特效应及半导体霍耳效应。

解决办法：立足于透彻的理论推导，但不拘泥于推导，着力建立物理图像概念，在合适的地方结合器件原理分析，使学生理解固体与半导体物理在实际中的运用，并牢记某些关键结论。

三、整体学时分配

（一）半导体中的电子状态

主要内容：

1.    半导体的晶格结构和结合性质 

2.    半导体中的电子状态和能带 

3.    半导体中电子的运动

4.    本征半导体的导电机构

5.    回旋共振 

6.    硅和锗的能带结构 

7.    III-V族化合物半导体的能带结构 

8.    II-VI族化合物半导体的能带结构 

9.    Si1-xGex合金的能带

10.    宽禁带半导体材料

教学要求：

将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，以深入了解半导体中的电子状态；明确回旋共振实验的目的、意义和原理，进而了解主要半导体材料的能带结构。

重点：

半导体中的电子运动；有效质量；空穴概念。

难点： 

能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构

解决办法： 

着重讲述能带理论中的近似适用范围，阐明其实用意义和局限性所在。不强求学生过多推导，避免学生一开始就产生畏难情绪。

（二）半导体中杂质和缺陷  

主要内容：

1.    硅、锗晶体中的杂质能级 

2.    III-V族化合物中的杂质能级 

3.    氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级

4.    缺陷、位错能级

教学要求：

根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。

重点：

杂质类型；施主杂质，施主能级，受主杂质，受主能级等概念；浅能级杂质，深能级杂质；杂质补偿作用。

（三）半导体中载流子的统计

主要内容：

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 

7.    电子占据杂质能级的概率

教学要求：

通过本章的学习，应熟练掌握课本中所阐明的基本概念和各种关系，能顺利导出有关重要基本公式，准确计算在各种不同杂质浓度和温下的费米能级位置和载流子浓度，从而对半导体性质有更深入的理解。

重点：

波矢空间的量子态的分布；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：

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。

解决办法：

1、充分结合习题，讲练结合，逐个解决问题，引导学生循序渐进。

2、既注重理论计算，又强调物理图像。

（四）半导体的导电性  

主要内容：

1.    载流子的漂移运动和迁移率

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.    玻耳兹曼方程、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

教学要求：

过学习应了解几种主要散射机构的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系，从而明确迁移率、电导率、电阻率与杂质浓度及温度的关系。最后以半导体在强电场下的效应及耿氏效应进行定性解释。

重点：

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。

载流子的散射机构；电导率与迁移率的关系；强电场效应；热载流子。

（五）非平衡载流子

主要内容：

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，爱因斯坦关系式 

8.    连续性方程式 

9.    硅的少数载流子寿命与扩散长度

教学要求：

在了解本章各种基本要领的基础上，应牢固掌握非平衡载流子的产生、复合、扩散等运动规律，并对总结出来的电流密度方程和连续性方程有深入的理解和灵活应用。

重点：

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。

（六）pn结  

主要内容：

1.    pn结及其能带图

2.    pn结电流电压特性

3.    pn结电容

4.    pn结击穿

5.    pn结隧道效应

教学要求：

了解pn结的物理特性以及能带图，掌握pn结接触电势差的计算，理解pn结的电流电压pn结电容的意义和计算，了解pn结的击穿机制和隧道效应

重点：

空间电荷区、pn结接触电势差、载流子分布、电流电压特性、结电容、击穿机制、隧道效应。

难点：

电流电压特性、结电容，击穿条件。

解决办法：

1、结合习题，使学生熟悉pn结机理的计算。

2、结合器件原理和发展现状与分支，指明pn原理的应用方向。

（七）金属和半导体的接触  

主要内容：

1.    金属半导体接触及其能级图 

2.    金属半导体接触整流理论 

3.    少数载流子的注入和欧姆接触

教学要求：

通过本章学习，应对理想和实际的金—半接触能带图应深入理解，在此基础上，对其电流传输理论的几种模型建立，应用和推导要有所了解，并掌握实现良好欧姆接触和整流接触的原理和方法。

重点：

金属和半导体接触的能带弯曲过程分析及简图画法。

难点：

金属和半导体接触的能带弯曲过程分析，热电子发射理论。

解决办法：

结合肖特基二极管等进行讲解，理论联系实际。

（八）半导体表面与MIS  

主要内容：

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 

5.    表面电导及迁移率

6.    表面电导对pn结特性的影响

教学要求：

通过学习，在认识表面状态的基础上，对理想MIS结构的表面电场效应、电容电压特性有深刻理解，对实际MIS结构中出现的各种情况进行分析，并与理想C-V特性相比较，从而明确如何用C-V法来了解半导体的表面状况，进而对使用最多的Si-SiO2系统的性质有详细的了解。

重点：

半导体表面电场效应，MIS结构的电容一电压特性。

难点：

硅－二氧化硅系统的性质。

解决办法：

不强求推导过程，多讲解关键结论，结合MOSFET器件，深化学生记忆。

（九）半导体异质结构

主要内容：

1.    半导体异质结及其能带图 

2.    半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性

3.    半导体异质节量子阱结构及其电子能态与特性

4.    半导体应变异质结构

5.    GaN基半导体异质结构

6.    半导体超晶格

教学要求：

通过学习应熟练掌握各种理想异质结能带图的画法，了解异质结几种电流传输模型和重要应用，并对半导体超晶格材料有初步了解。

重点：

理想异质结能带图的画法。

（十）半导体中杂质和缺陷  

主要内容：

1.    半导体的光学常数 

2.    半导体的光吸收 

3.    半导体的光电导 

4.    半导体的光生伏特效应 

5.    半导体发光 

6.    半导体激光 

7.    半导体异质结在光电子器件中的应用

教学要求：

半导体的光学性质及光电效应，是半导体特殊效应中最重要的，通过对其性质和机理的研究，不仅可发展各种光敏器件、光电池发光管和激光器等，而且还可以了解半导体本身的许多性质。

重点：

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。

（十一）热电性质  

主要内容：

1.    热电效应的一般描述

2.    半导体的温差电动势率

3.    半导体的珀尔帖效应

4.    半导体的汤姆逊效应

5.    半导体的热导率

6.    半导体热电效应的应用

教学要求：

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，本章以阅读了解为主。

重点：

塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、温差电动势率、热导率。

（十二）磁和压阻效应  

主要内容：

1. 霍耳效应

2. 磁阻效应

3. 磁光效应

4. 量子化霍耳效应

5. 热磁效应

6. 光磁电效应

7. 压阻效应

教学要求：

只要求学生了解即可。了解半导体霍尔效应、磁阻效应、磁光效应、量子化霍尔效应、热磁效应、光生伏特效应、压阻效应的物理机制和应用。。

重点：

霍尔效应、磁阻效应、磁光效应、量子化霍尔效应、热磁效应、光生伏特效应、压阻效应。

（十三）非晶态半导体  

主要内容：

1.    非晶半导体的结构

2.    非晶半导体中的电子态

3.    非晶半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应

4.    非晶半导体中的电学性质

5.    非晶半导体中的光学性质

6.    α–Si:H的pn结余金属-半导体接触特性

教学要求：

仅限于阅读了解。了解非晶半导体的能带结构的特点，理解非晶半导体的迁移率边、隙态与掺杂效应的物理意义，掌握非晶半导体光学与电学性质的特点以及应用。

重点：

非晶半导体的能带、迁移率边、隙态与掺杂效应、非晶半导体的导电机制和光电导。

五、教材与学习资源

   1.教材

[1] 半导体物理学(第7版) 刘恩科等 电子工业出版社 2008年.

   2.学习资源

[1]半导体物理与器件 Donald A. Neamen著 赵毅强等译 电子工业出版社 2005年

[2]半导体物理 钱佑华、徐至中 高等教育出版社 2003年

[3]半导体物理学学习辅导与典型题解 田敬民 电子工业出版社 2005年

[4]半导体物理学(第二版) 叶良修 高等教育出版社 2007年

[5]半导体物理学 黄昆、谢希德 科学出版社 1958年

[6]半导体器件物理与工艺 施敏著、王阳元等译 苏州大学出版社 2002年

六、先修课要求及教学策略与方法建议

   1.先修课要求

  高等数学II、大学物理、数学物理方法、量子力学。

   2.教学策略与方法建议

（1）重视精选习题，通过与课程进度紧密结合的联系，使学生牢固地记忆和掌握固体和半导体物理理论。

（2）作为本科课程，不强求学生完全掌握理论推导，重视理论与实践结合，建立物理图像，要求牢记关键结论，并与器件发展趋势结合，多讲解应用实例，激发学生兴趣。

七、考核方式

 本课程考核采用平时表现、随堂测验、期末考试成绩相结合的方式（满分100分）：

1.平时表现（考勤、随堂提问、作业、课堂笔记等）：10%；

2.随堂测验（至少两次）：20%；

3.期末考试（闭卷，考试内容涉及基本概念、基本理论、基本分析方法等，题型可采用填空题、简答题、选择题、分析计算题等多种形式）：70%。

大纲撰写人签字：                                教学单位盖章

    教学单位主管教学领导签字：                       年   月   日