半导体物理教学大纲

课程名称：半导体物理学   英文名称：Semiconductor Physics

课程编号：       课程类别：专业选修课

使用对象：应用物理、电信专业本科生

总学时：  48             学分：  3

先修课程：热力学与统计物理学；量子力学；固体物理学

使用教材：《半导体物理学》刘恩科等主编，电子工业出版社出版

一、课程性质、目的和任务

本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础

二、教学内容及要求

    本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。第1～5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6～9章归结为半导体的接触现象；第10～12章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。

    全部课堂教学为48学时，对上述内容作了必要的精简。10～13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其他各章的内容也作了部分栅减。具体内容和要求如下：

第1章  半导体中的电子状态

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    有效质量 

4.本征半导体的导电机构    空穴 

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

基本要求：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。（限于学时，本章的第7-10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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

第2章  半导体中杂质和缺陷能级

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 

基本要求：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。（限于学时，本章的第3节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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。

难点：杂质能级；杂质电离的过程

第3章  半导体中载流子的统计分布

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

基本要求： 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。（限于学时，本章的第7节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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

第4章  半导体的导电性

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

基本要求：通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。（限于学时，本章的第5、6、7节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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

难点：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

第5章  非平衡载流子

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

基本要求：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。（限于学时，本章的第9节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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 

难点：复合理论；爱因斯坦关系；连续性方程的应用

第6章pn结

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

基本要求：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

第7章  金属和半导体的接触

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 

基本要求：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

第8章  半导体表面与MIS结构

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

基本要求：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。（限于学时，本章的第5、6节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

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

第9章  异质结

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 

基本要求：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。（限于学时，本章的第3-6节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。

重点：理想异质结能带图的画法

难点：异质结能带图的画法

第10章  半导体的光学性质和光电与发光现象

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

基本要求：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。（限于学时，本章可根据需要与可能选择讲述）。

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

难点：光电导效应；电致发光机构

第11章 半导体的热电性质

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

基本要求：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。（限于学时，本章留学生参阅，不作具体要求）。

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

难点：温差电动势率

第12章  半导体磁和压阻效应 

          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

基本要求：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。（限于学时，本章留学生参阅，不作具体要求）。

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

难点：量子化霍尔效应

第13章 非晶半导体

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

基本要求：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。（限于学时，本章留学生参阅，不作具体要求）。

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

难点：非晶半导体的迁移率边、隙态与掺杂效应

三、教学日历

专业名称：物理学院                       课堂教学时数：48

四、参考资料

1、《半导体物理》，作者： 钱佑华，徐至中，高等教育出版社2003 

简介：全书包括七章：第一章在能带的框架内讲解半导体电子的能量状态；第二章简要介绍电子的平衡统计；第三章讲述能带电子的输运规律；第四章说明外界作用引起额外载流子的行为；第五章讨论半导体的表面与界面；第六章介绍金属一半导体接触、pn结、异质结、量子阱及超晶格；第七章讲解半导体光谱。 

2、《半导体器件物理》(第3版)，作者： 耿莉，张瑞智译|(美)S. M. Sze, Kwok K. Ng著，西安交通大学出版社 2008 

简介：该版保留了重要半导体器件的最为详尽的知识内容，并做了更新和重新组织，反映了当今器件在概念和性能等方面的巨大进展，可以使读者快速地了解当今半导体物理和所有主要器件，如双极、场效应、微波、光子器件和传感器的性能特点。

本书专为研究生教材和参考所需设计，新版本包括：以最新进展进行了全面更新；包括了对三维MOSFET、MODFET、共振隧穿二极管、半导体传感器、量子级联激光器、单电子晶体管、实空间转移器件等新型器件的叙述；对内容进行了重新组织和安排；各章后面配备了习题；重新高质量地制作了书中的所有插图。

《半导体器件物理》(第3版)为工程师、研究人员、科技工作者、高校师生提供了解当今应用中最为重要的半导体器件的基础知识，对预测未来器件性能和局限性提供了良好的基础。 

3、《Semiconductor Physics and Devices:Basic Principles》 3rd Ed.半导体物理与器件--基本原理(第3版) 作者： (美)Donald A. Neamen 清华大学出版社 2003 

《半导体物理与器件》(第三版) 国外电子与通信教材系列作者： (美)Donald  电子工业出版社2005 

简介：本书是微电子技术领域的基础教程。全书涵盖了量子力学、同固体物理、半导体材料物理以及半导体器件物理等内容，共分为三部分，十五章。第一部分介绍基础物理，包括固体晶格结构、量子力学和固体物理；第二部分介绍 pn结、金属半导体接触、异质结以及双极晶体管、MOS场效应晶体管、结型场效应晶体管等。最后论述了光子器件和功率半导体器件。书中既讲述了半导体基础知识，也分析讨论了小尺寸器件物理问题，具有一定的深度和广度。 

4、《半导体物理学学习辅导与典型题解》--高等学校理工科电子科学与技术类课程学习辅导丛书，作者：田敬民 电子工业出版社2006

5、半导体物理讲义与视频资料，作者：蒋玉龙