《半导体物理及固体物理基础》课程教学大纲

《半导体物理及固体物理基础》课程大纲 2021.doc

《半导体物理及固体物理基础》课程教学大纲

课程名称：半导体物理及固体物理基础	课程代码：MICR3021
英文名称：Fundamentals of Semiconductor Physics and Solid-State Physics
课程性质：专业必修课	学分/学时：3/63
开课学期：第3学期
适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路设计与集成系统
先修课程：高等数学
后续课程：半导体器件物理 大规模集成电路制造工艺
开课单位：电子信息学院	课程负责人：王明湘
大纲执笔人：张冬利	大纲审核人：王明湘

一、课程性质和教学目标

课程性质：《半导体物理与固体物理基础》课程是微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路设计与集成系统三个专业的专业必修课，是半导体器件物理的前导课程。课程旨在使学生掌握半导体相关的基本概念和涉及的各种物理机制，为理解和分析半导体器件的工作原理打好基础。

教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料常见特性的物理机制以及基本半导体器件的工作原理。通过本课程的学习，要求学生能掌握半导体的导电机制、掺杂原理、非平衡载流子以及能带等概念等，能运用这些理论来判断半导体导电类型、计算载流子浓度、分析pn结、金半接触、MIS、异质结等基本半导体器件的工作原理。本课程的具体教学目标如下：

1、 掌握固体分类、晶体结构、共价键等基本概念。

2、 掌握载流子、能带、费米能级等物理概念以及各种载流子输运机制。

3、 能够根据所学知识计算载流子浓度、费米能级位置、画出能带图。

4、 能够利用所学知识解释简单半导体器件的工作原理。

5、 能够针对半导体器件的测量结果，提取相关参数，基于半导体物理知识解释测量结果。

二、课程目标与毕业要求的对应关系

毕业要求	指标点	课程目标
1、工程知识	1.3掌握电子科学与技术相关工程基础知识，能用于分析工程问题中的器件、电路、电磁场及信号等问题。	教学目标1、2
2、问题分析	2.3能运用基本原理分析复杂工程问题，以得获得有效结论。	教学目标3、4
4、研究	4.1能对电子科学与技术相关领域的基本原理进行研究和实验验证。	教学目标5

三、 课程教学内容及学时分配（重点内容：«；难点内容：D）

第一章固体晶格结构

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 半导体的特性及分类（支撑课程目标1）

一、 什么是半导体«

按照电阻率划分

二、 常见的半导体材料

元素半导体，化合物半导体

三、常见的导体和绝缘体

第二节固体三种类型（支撑课程目标1）

一、 划分根据

二、 多晶及晶界

第三节晶格结构（支撑课程目标1）

一、 晶胞和原胞

二、 基本晶体结构

SC，FCC，BCC等

三、 晶格«

晶列，晶向，晶面，密勒指数，原子体密度、面密度计算

四、 金刚石晶格结构«D

原子排布规律，原子密度，原子面密度计算

五、 价键及缺陷

思考题：

1、 金刚石晶格结构和闪锌矿晶格结构有何异同。

2、 如何标识密勒指数。

第二章量子力学初步（支撑课程目标2）

课时：1周，共3课时

教学内容

第一节 量子力学三个基本原理

能量量子化，波粒二象性、不确定原理

第二节 薛定谔波动方程

一、波动方程介绍

二、波函数的物理意义«

三、波动方程的应用

四、量子数«

思考题：

1、哪些情况下粒子的能量是量子化的？

第三章固体量子理论初步（支撑课程目标2）

课时：1周，共3课时

教学内容

第一节 能带的形成D

一、允带，禁带，E-k曲线

二、导体、半导体、绝缘体在能带方面的差异

第二节 固体中的电传导

一、能带与价键

二、有效质量«

三、空穴的概念«

四、态密度函数

五、费米-狄拉克分布函数«

思考题：

1、空穴是如何引入的？

2、某一能级量子态被空穴占据的概率如何表示？

第四章平衡半导体（支撑课程目标3）

课时：3周，共9课时

教学内容

第一节 半导体中的载流子

一、热平衡电子、空穴浓度«

二、本征载流子浓度

三、本征费米能级位置

第二节 杂质与能级

施主杂质、受主杂质

第三节 非本征半导体

一、质量作用定律«

二、简并与非简并半导体

三、补偿半导体«

四、费米能级位置«

五、费米能级的应用D

思考题：

1、III-V族化合物半导体中如何判断施主和受主杂质？

2、热平衡状态下半导体中费米能级有什么特点？

第五章载流子输运现象（支撑课程目标2）

课时：1周，共3课时

教学内容

第一节 载流子的漂移运动迁移率

一、 漂移速度和迁移率«

二、 散射机制

三、 电导率和电阻率«

四、 漂移电流密度

五、 饱和速度和负微分电阻

第二节 载流子扩散

一、 扩散电流密度

二、 爱因斯坦关系«

第三节 霍尔效应

思考题：

1、迁移率和扩散系数之间为什么有一个比例关系？

第六章非平衡载过剩流子（支撑课程目标3）

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 载流子的产生和复合

一、热平衡载流子的产生和复合

二、非平衡载流子的产生和复合

三、过剩载流子的寿命D

第二节 连续性方程

第三节 双极输运方程

一、双极输运方程的简化

二、双极输运方程的应用

第四节 准费米能级D

第五节 SRH复合理论«

一、 复合率表达式

二、 过剩载流子寿命

三、 表面态及表面复合速率

思考题：

1、直接复合和间接复合机制中，过剩少子的寿命分别由什么决定？

第七章pn结（支撑课程目标4）

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 pn结的形成和杂质分布

一、

二、空间电荷区、内建电场、内建电势差«

三、pn结能带图«D

四、势垒电容«

五、线性缓变结和超突变结

六、击穿

第二节 pn结能带图«D

第三节 势垒电容«

第四节 线性缓变结和超突变结

第五节 击穿

思考题：

1、反向偏压下pn结能带图和热平衡状态下pn结能带图比有什么变化？

第八章pn结二极管（支撑课程目标4）

课时：2周，共6课时

第一节 pn结电流电压关系推导

一、边界条件

二、理想pn结二极管电流电压方程«

三、温度影响

四、短二极管

第二节 非理想效应«D

一、产生电流

二、复合电流

三、大注入效应

第三节 pn小信号模型

一、扩散电阻与扩散电容D

二、等效电路

第四节电荷存储于开关瞬态

思考题：

1、什么是理想p-n结，实际p-n结的I-V特性如何解释？。

2、 p-n结电容的来源有哪些？。

第九章金属接触（支撑课程目标4）

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 金属和半导体接触及其能带图

一、 金属和半导体的功函数

二、 金半接触能带图«

三、 肖特基势垒高度和内建电势差

四、 影响肖特基势垒高度的非理想因素

五、 电流电压关系«D

第二节 欧姆接触

一、欧姆接触定义

二、形成方法

三、接触电阻

思考题：

1、肖特基势垒二极管和pn结二极管有哪些特性方面的差别？

第十章MOS结构（支撑课程目标4）

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 MOS结构

与平行板电容的比较

第二节 能带图

一、 半导体表面的状态

多子堆积，多子耗尽，少子反型

二、 MOS结构的能带图«D

空间电荷区宽度、平带电压、阈值电压

第三节 CV特性

一、 理想MOS结构的电容-电压特性«

二、 氧化层电荷及界面态的影响D

思考题：

1、画出硅表面多子堆积，多子耗尽，少子反型时的能带状态。

2、实际硅-二氧化硅系统的C-V特性。

第十一章实验（支撑课程目标5）

课时：3周，共9课时

第一节 显微镜测量MOS尺寸

第二节 四探针法测量方块电阻

第三节MOS CV特性测量

四、教学方法

授课方式：a.理论课（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布习题和课外拓展学习等）；b.课后练习（按照理论内容进行）；c.实验环节（根据理论课教学内容，要求学生学会简单操作、四探针仪以及探针台并完成实验任务）；d.办公室时间（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内、外内容进行讨论）；e.答疑（全部理论课程和实验课程完成后安排1～2次集中答疑，答疑时间不包括在课程学时内，答疑内容包括讲授内容、习题、实验等）；f.期中和期末闭卷考试。

课程要求：a.理论课：在理论课讲授环节中，应注意概念讲清讲透，并贯彻理论联系实际的原则，注意学生逻辑思维能力、工程观点和分析与解决问题能力的培养。根据本课程的特点，必须严格要求学生独立完成一定数量的习题；b.实验环节：要求学生学会简单操作、四探针仪以及探针台，正确地读取和记录实验数据、绘制图表，培养学生良好的实验习惯，树立实事求是和严肃认真的科学作风，根据实验数据和实验结果撰写实验报告，具有对实验结果进行分析和解释的能力。

五、考核及成绩评定

1、考核及成绩评定方式

考核方式：闭卷笔试，平时成绩（课堂表现及作业），实验

成绩评定方式：期末成绩45%，期中成绩30%，平时成绩10%，实验成绩15%

课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）

2、考核与评价标准

实验成绩评价标准：

注：该表格中比例为各个实验占实验总成绩的比例。

期中考试考核评价标准

	基本要求	达成情况评价标准				成绩比例（%）
		优秀³0.9	良好³0.7	合格³0.6	不合格<0.6
教学目标1	掌握固体材料的分类和标准、不同的晶胞结构的特点，掌握硅、砷化镓等典型半导体的晶胞结构特点和价键类型	概念清晰，能准确地描述晶胞结构特点，能准确计算原子密度和价键密度，数学表达完整。	概念较清晰，能描述晶胞结构特点，能计算原子密度和价键密度，数学表达较完整。	掌握基本概念，知道如何计算原子密度和价键密度。	概念不清楚，并原子密度和价键密度完全不了解。	20
教学目标2	能够准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	能够准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	能够比较准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	了解载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制，能够简单描述。	不清楚载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	20
教学目标3	具备半导体物理中分析和理解的能力，能够基于专业知识判断半导体的状态，并得出结论。	掌握半导体内载流子浓度及费米能级位置的判断方法，并能准确画出能带图。	掌握半导体内载流子浓度及费米能级位置的判断方法，并能画出能带图。	了解半导体内载流子浓度及费米能级位置的计算方法，但能带图画得不准确。	了解半导体内载流子浓度及费米能级位置的计算方法，不会画能带图。	60

注：该表格中比例为期中考试卷各教学目标所占成绩比例。

期末考试考核评价标准

	基本要求	达成情况评价标准				成绩比例（%）
		优秀>0.9	良好>0.7	合格>0.6	不合格<0.6
教学目标1	掌握固体材料的分类和标准、不同的晶胞结构的特点，掌握硅、砷化镓等典型半导体的晶胞结构特点和价键类型	概念清晰，能准确地描述晶胞结构特点，能准确计算原子密度和价键密度，数学表达完整。	概念较清晰，能描述晶胞结构特点，能计算原子密度和价键密度，数学表达较完整。	掌握基本概念，知道如何计算原子密度和价键密度。	概念不清楚，并原子密度和价键密度完全不了解。	15
教学目标2	能够准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	能够准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	能够比较准确描述载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	了解载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制，能够简单描述。	不清楚载流子、能带、费米能级等概念以及各种载流子输运机制。	15
教学目标3	具备半导体物理中分析和理解的能力，能够基于专业知识判断半导体的状态，并得出结论。	掌握半导体内载流子浓度及费米能级位置的判断方法，并能准确画出能带图。	掌握半导体内载流子浓度及费米能级位置的判断方法，并能画出能带图。	了解半导体内载流子浓度及费米能级位置的计算方法，但能带图画得不准确。	了解半导体内载流子浓度及费米能级位置的计算方法，不会画能带图。	30
教学目标4	能够基于半导体物理知识分析简单半导体器件的工作原理，能够判断影响器件的关键参数	能理解简单半导体器件的工作原理和影响器件特性的因素，能准确提取器件的典型参数	能较好地理解简单半导体器件的工作原理和影响器件特性的因素，能提取器件的典型参数	了解简单半导体器件的工作原理和影响器件特性的因素，能提取部分器件的典型参数	不了解半导体器件的工作原理和影响器件特性的因素，不能提取器件的典型参数	40

注：该表格中比例为期末考试卷各教学目标所占成绩比例。

教材级参考书目

教材

半导体物理与器件，Donald A. Neamen著，赵毅强等译，电子工业出版社

参考书目

1.固体物理学，谢希德，方俊鑫，上海：上海科技出版社

2．半导体物理学，刘恩科编，科学出版社