《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p结、金半接触、MS、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 1.3掌握电子科学与技术相关工程基础知识， 1、工程知识 能用于分析工程问题中的器件、电路、电磁 教学目标1、2 场及信号等问题。 2.3能运用基本原理分析复杂工程问题，以 2、问题分析 得获得有效结论。 教学目标3、4 4.1能对电子科学与技术相关领域的基本原 4、研究 教学目标5 理进行研究和实验验证
《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：△） 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★△ 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？
三、 课程教学内容及学时分配（重点内容：；难点内容：） 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 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△ 一、允带，禁带，Ek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△ 思考题： 1、川-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
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 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 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△ 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△ 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★△ 四、势垒电容★ 五、线性缓变结和超突变结 六、击穿
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 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 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 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★△ 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p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★△ 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△ 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pn结的-V特性如何解释？。 2、pn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★△ 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？
第二节 pn 结能带图 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 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 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 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？