第一篇：半導體物理課程教學大綱

《半導體物理》課程教學大綱

課程編號：C030001 適用專業：微電子技術，微電子學

學時數：72（實驗12）學分數：4．5

先修課程：《熱力學與統計物理學》、《量子力學》和《固體物理學》

考核方式：閉卷

執筆者：劉諾

編寫日期：2004.5

一、課程性質和任務

《半導體物理學》是面向電子科學與技術方向本科生所開設的微電子技術專業和微電子學專業的一門專業基礎課和學位課，是培養方案中的核心課程之一。開設的目的是使學生熟悉半導體物理的基礎理論和半導體的主要性質，以適應后續專業課程的學習和將來工作的需要。

二、教學內容和要求

理論教學（60學時）

半導體中的電子狀態（8學時）：

理解能帶論。掌握半導體中的電子運動、有效質量，本征半導體的導電機構、空穴，鍺、硅、砷化鎵和鍺硅的能帶結構。半導體中的雜質和缺陷能級（5學時）：

掌握鍺、硅晶體中的雜質能級，Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導體的雜質能級。理解缺陷、位錯能級。

熱平衡時半導體中載流子的統計分布（10學時）：

掌握狀態密度，費米能級和載流子的統計分布，本征半導體的載流子濃度，雜質半導體的載流子濃度。理解一般情況下的載流子的統計分布。了解簡并半導體。半導體的導電性（8學時）：

掌握載流子的漂移運動，載流子的散射，遷移率與雜質濃度和溫度的關系，玻爾茲曼方程。了解電導的統計理論。理解強電場效應，熱載流子。

非平衡載流子（8學時）：

掌握非平衡載流子的注人與復合，非平衡載流子的壽命，準費米能級，復合理論，陷阱效應，載流子的擴散運動、愛因斯坦關系，理解連續性方程。

p-n結（0學時）：

了解p-n結及能帶圖，p-n結的電流電壓特性，p-n結電容，p-n結擊穿和p-n結隧道效應。

異質結（0學時）：

了解異質結及其能帶圖和異質結的電流輸運機構。金屬和半導體的接觸（10學時）：

掌握金屬和半導體接觸的整流理論。理解少數載流子的注人，歐姆接觸。

半導體表面理論（10學時）：

掌握表面態、表面電場效應，MIS結構的電容一電壓特性，理解硅一二氧化硅系統，表面電導及遷移率。

半導體磁效應（1學時）：

掌握霍耳效應。

為鞏固課堂講授的基本概念和基本理論，培養學生分析問題和解決問題的能力．每章講完后，需布置一定分量的課外作業。必做題約40道，選做題平均每章3－5題。

2.實驗教學（12學時）

“ 半導體物理實驗 ” 包括了六個實驗，MOS結構高頻C－V特性測試、MOS結構準靜態C－V特性測試、MOS結構中可動電荷測試、霍爾效應、橢偏法測SiO2 層的厚度及折射率、及參數測試以及高頻光電導衰減法測量Si單晶少子壽命。教師根據實驗設備數量選做四個實驗。

教師在課堂講解每個實驗的基本原理、測試內容及實驗要求，交待實驗注意事項。?

學生分組做實驗，每組2人。要求學生必須自已動手做實驗，獨立處理實驗數據，完成實驗報告，回答思考題。

三、建議教材和參考資料

1.教材：（半導體物理學），西安交大劉恩科主編

2.參考資料：

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

（2）《半導體物理學》，葉良修編

（3）《半導體物理學》，顧祖毅編

（4）《半導體物理實驗指導書》，自編講義

第二篇：半導體物理教學大綱（精選）

《半導體物理》

課程編號：01500277

課程名稱：半導體物理 Semiconductor Physics 學分：3.5 學時: 56

先修課程： 固體物理、量子力學、理論物理

一、目的與任務

《半導體物理學》是電子科學與技術專業的一門必修課程。通過學習本課程，使學生掌握半導體物理的基本理論和基本規律，培養學生分析和應用半導體各種物理效應的能力，同時為后繼課程《半導體器件》與《半導體集成電路》的學習奠定基礎。

本課程的任務是揭示和研究半導體的微觀機構，從微觀的角度解釋發生在半導體中的宏觀物理現象；重點學習半導體中的電子狀態及運動規律；學習半導體中載流子的統計分布、輸運理論及相關規律；學習載流子在輸運過程中發生的一些宏觀物理現象；學習半導體的某些基本結構，包括金屬半導體結及表面問題。

二、教學內容及學時分配

第一章 半導體中的電子狀態（8學時）1．半導體中的電子狀態與能帶 2．半導體中電子的運動有效質量 3．本征半導體的導電機構空穴 4．硅和鍺的能帶結構

第二章 半導體中雜質和缺陷能級（2學時）1．硅、鍺晶體中的雜質能級 2．Ⅲ-V族化合物中的雜質能級

第三章 半導體中載流子的統計分布（8學時）1．狀態密度

2．費米能級和載流子的統計分布 3．本征半導體的載流子濃度 4．雜質半導體的載流子濃度 5．一般情況下的載流子統計分布 6．簡并半導體

第四章 半導體的導電性（8學時）1．載流子的漂移運動遷移率 2．載流子的散射

3．遷移率與雜質濃度和溫度的關系 4．電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系 5．波爾茲曼方程電導率的統計理論 6．強電場下的效應，熱載流子 7．多能谷散射耿氏效應 第五章 非平衡載流子（8學時）1．非平衡載流子的注入與復合 2．非平衡載流子的壽命 3．準費米能級 4．復合理論 5．陷阱效應 6．載流子的擴散運動

7．載流子的漂移運動愛因斯坦關系 8．連續性方程式

第六章 金屬和半導體接觸（4學時）1．金屬與半導體接觸及其能帶圖 2．金屬與半導體接觸的整流理論 3．歐姆接觸

第七章 半導體表面與MIS結構（4學時）1．表面態 2．表面電場效應

3．MIS結構的電容電壓特性 4．硅—二氧化硅系統的性質 第八章 異質結（2學時）1．異質結及其能帶圖 2．異質結的電流輸運機構

第九章半導體的光電性質、光電與發光現象（4學時）1．半導體的光吸收和光電導 2．半導體的光生伏特效應 3．半導體的發光、激光

第十章 半導體熱電性質（4學時）1．熱電效應 2．熱電效應的應用

第十一章 半導體磁和壓阻效應（4學時）1．霍耳效應 2．磁阻效應 3．光磁電效應 4．壓阻效應

三、考核與成績評定

采用紙筆式閉卷考試，按百分制進行成績評定。

四、大綱說明

1.本課程在理論物理基礎課程學習之后開設。學生應掌握必要的熱力學與統計物理、量子力學、電磁場、固體物理學等知識。

2.在保證基本教學要求的前提下，教師可以根據實際情況，對內容進行適當的調整和刪節。

3.本大綱適合近電子科學與技術類專業。

五、教科書、參考書

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生等.半導體物理學［M］.北京：國防工業出版社，1994.［2］葉良修.半導體物理學［M］.上冊.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.《微電子器件基礎》

第三篇：《半導體物理學》課程教學大綱

《半導體物理學》課程教學大綱

一、課程說明

（一）課程名稱：《半導體物理學》

所屬專業：物理學（電子材料和器件工程方向）

課程性質：專業課

學 分：4學分

（二）課程簡介、目標與任務：

《半導體物理學》是物理學專業（電子材料和器件工程方向）本科生的一門必修課程。通過學習本課程，使學生掌握半導體物理學中的基本概念、基本理論和基本規律，培養學生分析和應用半導體各種物理效應解決實際問題的能力，同時為后繼課程的學習奠定基礎。

本課程的任務是從微觀上解釋發生在半導體中的宏觀物理現象，研究并揭示微觀機理；重點學習半導體中的電子狀態及載流子的統計分布規律，學習半導體中載流子的輸運理論及相關規律；學習載流子在輸運過程中所發生的宏觀物理現象；學習半導體的基本結構及其表面、界面問題。

（三）先修課程要求，與先修課與后續相關課程之間的邏輯關系和內容銜接：

本課程的先修課程包括熱力學與統計物理學、量子力學和固體物理學，學生應掌握這些先修課程中必要的知識。通過本課程的學習為后繼《半導體器件》、《晶體管原理》等課程的學習奠定基礎。

（四）教材與主要參考書：

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學（第7版）［M］.北京：電子工業出版社.2011.［2］黃昆,謝希德.半導體物理學［M］.北京：科學出版社.2012.［3］葉良修.半導體物理學（第2版）［M］.上冊.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、課程內容與安排

第一章 半導體中的電子狀態

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節

半導體的晶格結構和結合性質 半導體中的電子狀態和能帶

半導體中電子的運動 有效質量 本征半導體的導電機構 空穴 回旋共振

硅和鍺的能帶結構 第七節 第八節 第九節 第十節 III-V族化合物半導體的能帶結構 II-VI族化合物半導體的能帶結構 Si1-xGex合金的能帶 寬禁帶半導體材料

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約8-10學時。限于學時，第8-10節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章將先修課程《固體物理學》中所學的晶體結構、單電子近似和能帶的知識應用到半導體中，要求深入理解并重點掌握半導體中的電子狀態（導帶、價帶、禁帶及其寬度）；掌握有效質量、空穴的概念以及硅和砷化鎵的能帶結構；了解回旋共振實驗的目的、意義和原理。

本章的重點包括單電子近似，半導體的導帶、價帶、禁帶及其寬度，有效質量，空穴，硅、砷化鎵的能帶結構。難點為能帶論，硅、砷化鎵能帶結構，有效質量。第二章 半導體中雜質和缺陷能級

第一節 第二節 第三節 第四節 硅、鍺晶體中的雜質能級 III-V族化合物中的雜質能級

氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質能級 缺陷、位錯能級

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約3-4學時。限于學時，第3節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要介紹在常見半導體的禁帶中引入雜質和缺陷能級的實驗觀測結果。要求學生根據所引入的雜質能級情況，理解雜質的性質和作用，分清淺能級雜質和深能級雜質；重點掌握施主雜質和n型半導體、受主雜質和p型半導體的概念；掌握雜質電離、電離能、雜質補償、雜質濃度的概念，了解缺陷、位錯能級的特點和作用。

本章的重點包括施主雜質和施主能級，受主雜質和受主能級，淺能級雜質和深能級雜質，n型半導體和p型半導體，雜質補償作用等。難點為雜質能級，雜質電離過程。第三章 半導體中載流子的統計分布

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 第七節 狀態密度

費米能級和載流子的統計分布 本征半導體的載流子濃度 雜質半導體的載流子濃度 一般情況下的載流子統計分布 簡并半導體

電子占據雜質能級的概率

（一）教學方法與學時分配 課堂講授，大約8-10學時。限于學時，第7節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論半導體中載流子濃度隨溫度的變化規律，解決如何計算一定溫度下半導體中熱平衡載流子濃度的問題。通過本章的學習，要求掌握狀態密度、費米分布和玻爾茲曼分布、費米能級、導帶和價帶有效狀態密度的概念；重點掌握應用電中性條件和電中性方程，推導本征半導體的載流子濃度，計算在各種不同雜質濃度和溫度下雜質半導體的的費米能級位置和載流子濃度；掌握非簡并半導體和簡并半導體的概念以及簡并化條件。

本章重點包括波矢空間的量子態分布、半導體導帶底、價帶頂附近的狀態密度計算，費米分布函數和玻耳茲曼分布函數及其物理意義，本征半導體、雜質半導體載流子濃度的計算。難點為半導體導帶底、價帶頂附近的狀態密度計算，費米能級和載流子的統計分布，雜質半導體載流子濃度的計算。第四章 半導體的導電性

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 第七節 載流子的漂移運動和遷移率 載流子的散射

遷移率與雜質濃度和溫度的關系 電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系 玻耳茲曼方程、電導率的統計理論 強電場下的效應、熱載流子 多能谷散射、耿氏效應

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約7-8學時。限于學時，第5節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論載流子在外加電場作用下的漂移運動，討論半導體的遷移率、電導率隨溫度和雜質濃度的變化規律。要求重點掌握遷移率的概念；掌握電離雜質散射、晶格振動散射的機理、散射幾率與雜質濃度及溫度的關系；掌握遷移率、電導率（電阻率）與雜質濃度及溫度的關系；了解強電場效應以及砷化鎵的負微分電導、耿氏效應。

本章重點包括電導率、遷移率概念及相互關系，遷移率、電阻率隨溫度和雜質濃度的變化規律，強電場效應。難點為載流子的散射機構，電導率與遷移率的關系，強電場效應。

第五章 非平衡載流子

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 第七節 第八節 第九節

非平衡載流子的注入與復合 非平衡載流子的壽命 準費米能級 復合理論 陷阱效應

載流子的擴散運動

載流子的漂移運動，愛因斯坦關系式 連續性方程式

硅的少數載流子壽命與擴散長度

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約10學時。限于學時，第9節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論非平衡載流子的產生、復合及其運動規律。通過學習，要求掌握非平衡載流子的產生、壽命、復合及其復合機構，準費米能級，陷阱效應，載流子的漂移和擴散等概念；掌握非平衡載流子的復合理論；了解愛因斯坦關系；理解并靈活應用電流密度方程和連續性方程。

本章重點包括非平衡載流子的產生、復合，非平衡載流子壽命，載流子的擴散和漂移運動，連續性方程運用等。難點為復合理論，愛因斯坦關系，連續性方程的應用。第六章 pn結

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 pn結及其能帶圖 pn結電流電壓特性 pn結電容 pn結擊穿 pn結隧道效應

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約6-7學時。

（二）內容及基本要求

本章主要討論pn結的性質。通過學習要求掌握pn結的物理特性、能帶結構以及接觸電勢差的計算；掌握I-V特性、結電容的推導；了解pn結的擊穿機制和隧道效應。

本章重點包括空間電荷區，pn結接觸電勢差，載流子分布，I-V特性，結電容，擊穿機制，隧道效應等。難點為I-V特性，結電容。第七章 金屬和半導體的接觸

第一節 金屬半導體接觸及其能級圖 第二節 金屬半導體接觸整流理論 第三節 少數載流子的注入和歐姆接觸

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約3-4學時。

（二）內容及基本要求

本章主要討論金屬半導體接觸。通過本章學習，要求掌握理想和實際的金-半接觸的能帶圖；對其電流傳輸理論的幾種模型的建立、表達式的推導和應用有所了解；掌握實現良好歐姆接觸和整流接觸的原理和方法。

本章的重點包括金屬和半導體接觸的能帶彎曲過程分析及簡圖畫法。難點為金屬和半導體接觸的能帶彎曲過程分析，熱電子發射理論。第八章 半導體表面與MIS結構 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 表面態

表面電場效應

MIS結構的C-V特性 硅-二氧化硅系統的性質 表面電導及遷移率

表面電場對pn結特性的影響

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約4學時。限于學時，第5、6節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論半導體的表面現象及其相關的理論，側重于實際的半導體表面。通過學習，要求學生了解表面狀態；掌握理想MIS結構的表面電場效應、電容電壓特性；學會對實際MIS結構中出現的各種情況進行分析；掌握如何用C-V法來研究半導體的表面狀況；了解Si-SiO2系統的性質。

本章的重點包括半導體表面電場效應，MIS結構的C-V特性。難點為Si-SiO2系統的性質。

第九章 半導體異質結構

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 半導體異質結及其能帶圖

半導體異質pn結的電流電壓特性及注入特性 半導體異質結量子阱結構及其電子能態與特性 半導體應變異質結構 GaN基半導體異質結構 半導體超晶格

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約5-6學時。限于學時，第4-5節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論半導體異質結的能帶結構、異質pn結的I-V特性與注入特性及各種半導體量子阱結構及其電子能態等。通過學習要求學生重點掌握各種理想異質結能帶結構及其畫法；了解異質pn結的I-V特性和注入特性；了解異質結幾種電流傳輸模型和重要應用；了解異質結的調制摻雜、高遷移率特性、二維電子氣、應變異質結、半導體量子阱和超晶格在現代半導體器件中的應用。

本章的重點是理想異質結能帶結構及其畫法，半導體量子阱和超晶格結構的特性及其在現代半導體器件中的應用。難點為異質結能帶圖的畫法。第十章 半導體的光學性質和光電與發光現象

第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節 第七節

半導體的光學常數 半導體的光吸收 半導體的光電導

半導體的光生伏特效應 半導體發光 半導體激光

半導體異質結在光電子器件中的應用

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約7-8學時。限于學時，第6、7節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論光和半導體相互作用的一般規律，重點討論光的吸收、光電導和發光等效應。通過學習，要求學生重點掌握半導體的光吸收和光電導特性；掌握光生伏特效應和太陽電池、半導體發光和LED的機理及其應用；了解各種光敏器件和半導體激光器等。

本章的重點包括半導體的光吸收及發光現象，半導體光電導，光生伏特效應，半導體激光等。難點為光電導效應，電致發光機構。

第十一章 半導體的熱電性質

第一節 熱電效應的一般描述 第二節 半導體的溫差電動勢率 第三節 半導體的珀爾帖效應 第四節 半導體的湯姆遜效應 第五節 半導體的熱導率 第六節 半導體熱電效應的應用

（一）教學方法與學時分配

限于學時，本章可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論由溫度梯度及電流同時存在時引起的現象，介紹產生這些現象的物理機理。通過學習，要求了解半導體的熱電效應的種類、應用和物理機制；掌握半導體溫差電動勢率的計算和影響因素。

本章的重點包括塞貝克效應，珀爾帖效應，湯姆遜效應，開耳芬關系，溫差電動勢率和熱導率。難點為溫差電動勢率。第十二章 半導體磁和壓阻效應

第一節 霍耳效應 第二節 磁阻效應 第三節 磁光效應 第四節 量子化霍耳效應 第五節 熱磁效應 第六節 光磁電效應 第七節 壓阻效應

（一）教學方法與學時分配

課堂講授，大約3學時。限于學時，第3-7節可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章扼要講述半導體在磁場中發生的各種效應以及對半導體施加壓力時產生的壓阻效應。通過學習，要求掌握半導體霍耳效應物理機制和應用；了解磁阻效應、磁光效應、量子化霍耳效應、熱磁效應、光磁電效應、壓阻效應等。

本章重點包括霍耳效應，磁阻效應，熱磁效應，光磁電效應，壓阻效應。難點為量子化霍耳效應。

第十三章 非晶態半導體

第一節 非晶態半導體的結構 第二節 非晶態半導體中的電子態

第三節 非晶態半導體中的缺陷、隙態與摻雜效應 第四節 非晶態半導體中的電學性質 第五節 非晶態半導體中的光學性質 第六節 a-Si:H的pn結與金-半接觸特性

（一）教學方法與學時分配

限于學時，本章可不講授，學生可自學。

（二）內容及基本要求

本章主要討論非晶態半導體的基本特性。通過學習要求了解非晶態半導體的結構、電子態的特征，理解遷移率邊、帶隙態與摻雜效應的物理意義；掌握非晶態半導體光學、電學性質的特點以及應用。

本章的重點包括非晶態半導體的能帶結構，遷移率邊，帶隙態與摻雜效應，非晶態半導體的導電機制和光電導，SW效應等。難點為非晶態半導體的遷移率邊，帶隙態與摻雜效應。

制定人：賀德衍

審定人： 批準人： 日 期：

第四篇：半導體材料課程教學大綱

半導體材料 課程教學大綱

一、課程說明

（一）課程名稱：半導體材料

所屬專業：微電子科學與工程

課程性質：專業限選

學 分： 3

（二）課程簡介：本課程重點介紹第一代和第二代半導體材料硅、鍺、砷化鎵等的制備基本原理、制備工藝和材料特性，介紹第三代半導體材料氮化鎵、碳化硅及其他半導體材料的性質及制備方法。

目標與任務：使學生掌握主要半導體材料的性質以及制備方法，了解半導體材料最新發展情況、為將來從事半導體材料科學、半導體器件制備等打下基礎。

（三）先修課程要求：《固體物理學》、《半導體物理學》、《熱力學統計物理》；

本課程中介紹半導體材料性質方面需要《固體物理學》、《半導體物理學》中晶體結構、能帶理論等章節作為基礎。同時介紹材料生長方面知識時需要《熱力學統計物理》中關于自由能等方面的知識。

（四）教材：楊樹人《半導體材料》

主要參考書：褚君浩、張玉龍《半導體材料技術》

陸大成《金屬有機化合物氣相外延基礎及應用》

二、課程內容與安排

第一章 半導體材料概述 第一節 半導體材料發展歷程 第二節 半導體材料分類 第三節 半導體材料制備方法綜述 第二章 硅和鍺的制備 第一節 硅和鍺的物理化學性質 第二節 高純硅的制備 第三節 鍺的富集與提純 第三章

區熔提純

第一節 分凝現象與分凝系數

第二節

區熔原理 第三節

鍺的區熔提純 第四章

晶體生長

第一節 晶體生長理論基礎

第二節 熔體的晶體生長

第三節 硅、鍺單晶生長

第五章

硅、鍺晶體中的雜質和缺陷

第一節 硅、鍺晶體中雜質的性質

第二節 硅、鍺晶體的摻雜

第三節 硅、鍺單晶的位錯

第四節 硅單晶中的微缺陷

第六章

硅外延生長

第一節 硅的氣相外延生長

第二節 硅外延生長的缺陷及電阻率控制

第三節 硅的異質外延

第七章

化合物半導體的外延生長

第一節 氣相外延生長（VPE）

第二節 金屬有機物化學氣相外延生長（MOCVD）

第三節 分子束外延生長（MBE）

第四節 其他外延生長技術

第八章

化合物半導體材料

（一）：第二代半導體材料

第一節 GaAs、InP等III-V族化合物半導體材料的特性

第二節 GaAs單晶的制備及應用

第三節 GaAs單晶中雜質控制及摻雜

第四節 InP、GaP等的制備及應用

第九章

化合物半導體材料

（二）：第三代半導體材料

第一節 氮化物半導體材料特性及應用

第二節 氮化物半導體材料的外延生長 第三節 碳化硅材料的特性及應用

第十章

其他半導體材料 第一節 半導體金剛石的制備及應用 第二節 低維半導體材料及應用

第三節 有機半導體材料

（一）教學方法與學時分配

按照教材中的內容，通過板書和ppt進行講解。并進行課后輔導與答疑。以學生掌握主要半導體材料制備為主，輔助半導體物理和器件知識，使學生了解材料的用途，激發學生的學習興趣。為將來工作和科研打好基礎。

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

主要內容：

【重點掌握】：區熔原理、晶體生長基本原理、Si、Ge單晶制備、Si外延制備、Si、Ge材料摻雜與控制。

【掌握】：VPE、MBE、MOCVD等外延方法、晶體中的缺陷、缺陷控制、III-V化合物InP、GaN、SiC等基本性質與制作方法。

【了解】： 半導體金剛石的制備、性質、低維半導體、有機半導體材料的性質及引用

【一般了解】： 半導體材料分類 【難點】：區熔原理、晶體生長基本原理

（重點掌握、掌握、了解、一般了解四個層次可根據教學內容和對學生的具體要求適當減少，但不得少于兩個層次）

制定人：劉貴鵬

審定人： 批準人： 日 期：

第五篇：《半導體器件物理》教學大綱(精)

《半導體器件物理》教學大綱

（2006版）

課程編碼：07151022 學時數：56

一、課程性質、目的和要求

半導體器件物理課是微電子學，半導體光電子學和電子科學與技術等專業本科生必修的主干專業基礎課。它的前修課程是固體物理學和半導體物理學，后續課程是半導體集成電路等專業課，是國家重點學科微電子學與固體電子學碩士研究生入學考試專業課。本課程的教學目的和要求是使學生掌握半導體器件的基本結構、物理原理和特性，熟悉半導體器件的主要工藝技術及其對器件性能的影響，了解現代半導體器件的發展過程和發展趨勢，對典型的新器件和新的工藝技術有所了解，為進一步學習相關的專業課打下堅實的理論基礎。

二、教學內容、要點和課時安排

第一章 半導體物理基礎（復習）（2學時）

第二節 載流子的統計分布

一、能帶中的電子和空穴濃度

二、本征半導體

三、只有一種雜質的半導體

四、雜質補償半導體

第三節 簡并半導體

一、載流子濃度

二、發生簡并化的條件

第四節 載流子的散射

一、格波與聲子

二、載流子散射

三、平均自由時間與弛豫時間

四、散射機構 第五節 載流子的輸運

一、漂移運動 遷移率 電導率

二、擴散運動和擴散電流

三、流密度和電流密度

四、非均勻半導體中的自建場

第六節 非平衡載流子

一、非平衡載流子的產生與復合

二、準費米能級和修正歐姆定律

三、復合機制

四、半導體中的基本控制方程：連續性方程和泊松方程

第二章 PN結（12學時）第一節 熱平衡PN結

一、PN結的概念：同質結、異質結、同型結、異型結、金屬－半導體結

突變結、緩變結、線性緩變結

二、硅PN結平面工藝流程（多媒體演示 圖2.1）

三、空間電荷區、內建電場與電勢

四、采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋PN結空間電荷區形成的過程

五、利用熱平衡時載流子濃度分布與自建電勢的關系求中性區電勢

及PN結空間電荷區兩側的內建電勢差

六、解poisson’s Eq 求突變結空間電荷區內電場分布、電勢分布、內建電勢差和空間電荷區寬度（利用耗盡近似）

第二節 加偏壓的P?N結

一、畫出熱平衡和正、反偏壓下PN結的能帶圖，定性說明PN結的單向導電性

二、導出空間電荷區邊界處少子的邊界條件，解釋PN結的正向注入和反向抽取現象

第三節

理想P?N結的直流電流-電壓特性

一、解擴散方程導出理想PN結穩態少子分布表達式，電流分布表達式，電流－電壓關系

二、說明理想PN結中反向電流產生的機制（擴散區內熱產生載流子電流）

第四節 空間電荷區的復合電流和產生電流

一、復合電流

二、產生電流

第五節 隧道電流

一、隧道電流產生的條件

二、隧道二極管的基本性質（多媒體演示 Fig2.12）

第六節 I?V特性的溫度依賴關系

一、反向飽和電流和溫度的關系

二、I?V特性的溫度依賴關系

第七節耗盡層電容，求雜質分布和變容二極管

一、PN結C-V特性

二、過渡電容的概念及相關公式推導

求雜質分布的程序（多媒體演示 Fig2.19）

三、變容二極管

第八節 小訊號交流分析

一、交流小信號條件下求解連續性方程，導出少子分布，電流分布和總電流公式

二、擴散電容與交流導納

三、交流小信號等效電路

第九節

電荷貯存和反響瞬變

一、反向瞬變及電荷貯存效應

二、利用電荷控制方程求解?s

三、階躍恢復二極管基本理論 第十節 P-Ｎ結擊穿

一、PN結擊穿

二、兩種擊穿機制，PN結雪崩擊穿基本理論的推導

三、計算機輔助計算例題2－3及相關習題

第三章 雙極結型晶體管（10學時）第一節雙極結型晶體管的結構

一、了解晶體管發展的歷史過程

二、BJT的基本結構和工藝過程（多媒體 圖3.1）概述

第二節 基本工作原理

一、理想BJT的基本工作原理 二、四種工作模式

三、放大作用（多媒體Fig3.6）

四、電流分量（多媒體Fig3.7）

五、電流增益（多媒體Fig3.8 3.9）

第三節 理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

一、理想BJT中的電流傳輸：解擴散方程求各區少子分布和電流分布

二、正向有源模式

三、電流增益～集電極電流關系

第四節 愛拜耳斯-莫爾（Ebers?Moll）方程 一、四種工作模式下少子濃度邊界條件及少子分布

二、E-M模型等效電路

三、E-M方程推導

第五節 緩變基區晶體管

一、基區雜質濃度梯度引起的內建電場及對載流子的漂移作用

二、少子濃度推導

三、電流推導

四、基區輸運因子推導

第六節 基區擴展電阻和電流集聚

一、基區擴展電阻

二、電流集聚效應

第七節 基區寬度調變效應

一、基區寬度調變效應（EARLY效應）

二、hFE和ICE0的改變

第八節 晶體管的頻率響應

一、基本概念：小信號共基極與共射極電流增益（?，hfe），共基極截止頻率和共射極截止頻率（Wɑ ,W?）,增益－頻率帶寬或稱為特征頻率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推導

三、影響截止頻率的四個主要因素：τB、τE、τC、τD及相關推導

四、Kirk效應

第九節 混接?型等效電路

一、參數：gm、gbe、CD 的推導

二、等效電路圖（圖3－23）

三、證明公式（3－85）、（3－86）

第十節

晶體管的開關特性

一、開關作用

二、影響開關時間的四個主要因素：td、tr、tf、ts

三、解電荷控制方程求貯存時間ts 第十一節 擊穿電壓

一、兩種擊穿機制

二、計算機輔助計算：習題 閱讀

§3.12、§3.13、§3.14

第四章 金屬—半導體結（4學時）第一節肖特基勢壘

一、肖特基勢壘的形成

二、加偏壓的肖特基勢壘

三、M－S結構的C-V特性及其應用

第二節 界面態對勢壘高度的影響

一、界面態

二、被界面態鉗制的費米能級

第三節 鏡像力對勢壘高度的影響

一、鏡像力

二、肖特基勢壘高度降低

第四節肖特基勢壘二極管的電流電壓特性

一、熱電子發射

二、理查德-杜師曼方程

第五節 肖特基勢壘二極管的結構

一、簡單結構

二、金屬搭接結構

三、保護環結構

第六節 金屬-絕緣體-半導體肖特基勢壘二極管

一、基本結構

二、工作原理

第七節 肖特基勢壘二極管和PN結二極管之間的比較

一、開啟電壓

二、反向電流

三、溫度特性

第八節 肖特基勢壘二極管的應用

一、肖特基勢壘檢波器或混頻器

二、肖特基勢壘鉗位晶體管

第九節 歐姆接觸

一、歐姆接觸的定義和應用

二、形成歐姆接觸的兩種方法 第五章 結型場效應晶體管和金屬-半導體場效應晶體管（4學時）第一節JFET的基本結構和工作過程

一、兩種N溝道JFET

二、工作原理

第二節 理想JFET的I-V特性

一、基本假設

二、夾斷電壓

三、I-V特性

第三節 靜態特性

一、線性區

二、飽和區

第四節 小信號參數和等效電路

一、參數：gl gml gm CG

二、JFET小信號等效電路圖

第五節JFET的截止頻率

一、輸入電流和輸出電流

二、截止頻率

第六節 夾斷后的JFET性能

一、溝道長度調制效應

二、漏極電阻

第七節 金屬-半導體場效應晶體管

一、基本結構

二、閾值電壓和夾斷電壓

三、I-V特性

第八節 JFET和MESFET的類型

一、N—溝增強型

N—溝耗盡型

二、P—溝增強型

P—溝耗盡型 閱讀

§5.8 §5.9 第六章 金屬-氧化物-場效應晶體管（10學時）第一節 理想MOS結構的表面空間電荷區

一、MOSFET的基本結構（多媒體演示Fig6-1）

二、半導體表面空間電荷區的形成

三、利用電磁場邊界條件導出電場與電荷的關系公式（6－1）

四、載流子的積累、耗盡和反型

五、載流子濃度表達式 六、三種情況下MOS結構能帶圖

七、反型和強反型條件，MOSFET工作的物理基礎

第二節 理想MOS電容器

一、基本假設

二、C～V特性：積累區，平帶情況，耗盡區，反型區

三、溝道電導與閾值電壓：定義 公式（6－53）和（6－55）的推導

第三節 溝道電導與閾值電壓

一、定義

二、公式（6－53）和（6－55）的推導

第四節 實際MOS的電容—電壓特性

一、M-S功函數差引起的能帶彎曲以及相應的平帶電壓，考慮到M-S功函數差，MOS結構的能帶圖的畫法

二、平帶電壓的概念

三、界面電荷與氧化層內電荷引起的能帶彎曲以及相應的平帶電壓四、四種電荷以及特性平帶電壓的計算

五、實際MOS的閾值電壓和C～V曲線

第五節 MOS場效應晶體管

一、基本結構和工作原理

二、靜態特性

第六節 等效電路和頻率響應

一、參數：gd

gm

rd

二、等效電路

三、截止頻率

第七節 亞閾值區

一、亞閾值概念

二、MOSFET的亞閾值概念

第九節 MOS場效應晶體管的類型

一、N—溝增強型

N—溝耗盡型

二、P—溝增強型

P—溝耗盡型

第十節 器件尺寸比例

MOSFET制造工藝

一、P溝道工藝

二、N溝道工藝

三、硅柵工藝

四、離子注入工藝

第七章 太陽電池和光電二極管（6學時）第一節半導體中光吸收

一、兩種光吸收過程

二、吸收系數

三、吸收限

第二節 PN結的光生伏打效應

一、利用能帶分析光電轉換的物理過程（多媒體演示）

二、光生電動勢，開路電壓，短路電流，光生電流（光電流）

第三節 太陽電池的I-V特性

一、理想太陽電池的等效電路

二、根據等效電路寫出I-V公式，I-V曲線圖（比較：根據電流分量寫出I-V公式）

三、實際太陽能電池的等效電路

四、根據實際電池的等效電路寫出I-V公式

五、RS對I-V特性的影響

第四節 太陽電池的效率

一、計算 Vmp

Imp

Pm

二、效率的概念??FFVOCIL?100% Pin第五節 光產生電流和收集效率

一、“P在N上”結構，光照，GL???Oe??x少子滿足的擴散方程

二、例1－1，求少子分布，電流分布

三、計算光子收集效率：?col?JptJnG?O 討論：波長長短對吸收系數的影響 少子擴散長度和吸收系數對收集效率的影響 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意義

第六節

提高太陽能電池效率的考慮

一、光譜考慮(多媒體演示)

二、最大功率考慮

三、串聯電阻考慮

四、表面反射的影響

五、聚光作用

第七節

肖特基勢壘和MIS太陽電池

一、基本結構和能帶圖

二、工作原理和特點

閱讀 §7.8 第九節 光電二極管

一、基本工作原理

二、P-I-N光電二極管

三、雪崩光電二極管

四、金屬－半導體光電二極管

第十節

光電二極管的特性參數

一、量子效率和響應度

二、響應速度

三、噪聲特性、信噪比、噪聲等效功率（NEP）

四、探測率（D）、比探測率（D*）第八章 發光二極管與半導體激光器（4學時）第一節輻射復合與非輻射復合

一、輻射復合：帶間輻射復合，淺施主和主帶之間的復合，施主－受主對（D-A 對）復合，深能級復合，激子復合，等電子陷阱復合

二、非輻射復合：多聲子躍遷，俄歇過程（多媒體演示），表面復合

第二節 LED的基本結構和工作過程

一、基本結構

二、工作原理（能帶圖）

第三節 LED的特性參數

一、I-V特性

二：量子效率：注射效率?、輻射效率?r、內量子效率?i，逸出概率?o、外量子效率

三、提高外量子效率的途徑，光學窗口

四、光譜分布，峰值半高寬 FWHM,峰值波長，主波長，亮度

第四節 可見光LED

一、GaP LED

二、GaAs1-xPx LED

三、GaN LED 第五節 紅外 LED 一、性能特點

二、應用

光隔離器

閱讀§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作業和考試要求)第九章 集成器件（閱讀，不做作業和考試要求）第十章 電荷轉移器件（4學時）第一節 電荷轉移

一、CCD基本結構和工作過程

二、電荷轉移

第二節 深耗盡狀態和表面勢阱

一、深耗盡狀態—非熱平衡狀態

二、公式（10-8）的導出

第三節 MOS電容的瞬態特性

深耗盡狀態的能帶圖

一、熱弛豫時間

二、信號電荷的影響

第四節 信息電荷的輸運 轉換效率

一、電荷轉移的三個因素

二、轉移效率、填充速率和排空率

第五節

電極排列和CCD制造工藝 一、三相CCD 二、二相CCD 第六節 體內（埋入）溝道CCD

一、表面態對轉移損耗和噪聲特性的影響

二、體內（埋入）溝道CCD的基本結構和工作原理

第七節

電荷的注入、檢測和再生

一、電注入與光注入

二、電荷檢測

電荷讀出法

三、電荷束的周期性再生或刷新

第八節

集成斗鏈器件

一、BBD的基本結構

二、工作原理

三、性能

第九節 電荷耦合圖象器件

一、行圖象器

二、面圖象器

三、工作原理和應用

三、教學方法

板書、講授、多媒體演示

四、成績評價方式

閉卷考試加平時作業、課堂討論

五、主要參考書目

1、孟慶巨、劉海波、孟慶輝編著 《半導體器件物理》，科學出版社，2005-6第二次印刷。

2、S M Sze.《半導體器件:物理和工藝》。王陽元、嵇光大、盧文豪譯。北京：科學出版社，1992

3、S M Sze.《現代半導體器件物理》科學出版社 2001年6月第一次印刷

4、愛得華·S·揚 《半導體器件物理基礎》，盧紀譯。北京：人民教育出版社，1981

5、劉文明 《半導體物理學》長春：吉林人民出版社，1982

6、孟憲章，康昌鶴.《半導體物理學》長春：吉林大學出版社，1993

7、R A史密斯.《半導體》(第二版).高鼎三等譯。北京：科學出版社，1987

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

9、Donald A·Nermen著《半導體物理與器件》 趙毅強，姚淑英，謝曉東譯 電子工業出版社，2005年2月第一次印刷