《半导体物理B》教学大纲2015版

《半导体物理B》课程教学大纲

课程英文名称： Semiconductor Physics B 课程代码：E0300530

学 时 数 ：48

学 分 数：3

课程类型：学科基础课程 适用学科专业： 电子科学与技术

先修课程：量子力学与统计物理、固体物理

执 笔 者：朱俊 编写日期：2014.05 审 核 人： 朱俊

一、课程简介

本课程为电子科学与技术专业的专业基础课，是培养方案中的核心课程之一。基本内容包括半导体的能带理论、半导体中的杂质和缺陷、半导体中载流子的统计分布、载流子在电磁场中的运动、非平衡载流子的复合等。

The course is a professional basic course for students specializing in Electronic Science and technology, one of core courses listed in training scheme. It mainly includes the following chapters: energy band structures of semiconductors, impurities and defects in semiconductors, the statistical distribution of carriers, the movement of carriers in electromagnetic field, and the recombination of non-equilibrium carriers.

二、课程目标

通过本课程的学习，使学生熟悉和掌握半导体的主要性质和半导体物理的基础理论，为完成后续专业课程的学习以及将来从事电子科学与技术专业方面的工作打下必备的基础。

By the studying of this course, students could be familiar with and master the main physical properties and basic theory of semiconductors, which can lay a necessary foundation for the completion of the follow-up courses and being engaged in future work related to the field of electronic Science and technology aspects.

三、课程内容安排和要求

（一）教学内容、要求及教学方法

本课程的主要教学内容包括半导体的能带理论、半导体中的杂质和缺陷、半导体的载流子的统计分布、载流子迁移率及在电磁场中的运动、非平衡载流子的复合及扩散运动、金半接触与MIS结构等。具体内容及要求如下：

(1) 半导体的能带理论 （6学时）

教学内容：半导体的三种常见晶体结构；两种化合键在不同结构中的特点；半导体能带的形成、能带的结构；半导体中作共有化运动的电子特性；金属、半导体、绝缘体能带的区别；半导体中电

子的平均速度和加速度；半导体有效质量的概念、意义和计算；本征激发的概念；本征半导体的导电机构；半导体空穴的概念及其特点；典型半导体材料锗、硅、砷化镓和锗硅的能带结构。

重点和难点：半导体能带的形成及能带结构；半导体有效质量的概念、意义和计算；半导体空穴的概念及其特点。

要求：了解半导体的三种常见晶体结构即金刚石型、闪锌矿和纤锌矿型结构；以及两种化合键即共价键和离子键在不同结构中的特点；了解电子的共有化运动；理解能带不同形式导带、价带、禁带的形成；导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异；掌握本征激发的概念；了解半导体中电子的平均速度和加速度；掌握半导体有效质量的概念、意义和计算；理解本征半导体的导电机构；掌握半导体空穴的概念及其特点；了解典型半导体材料锗、硅、砷化镓和锗硅的能带结构。

(2) 半导体中的杂质和缺陷（4学时）

教学内容：锗、硅晶体中的浅能级形成原因，多子和少子；浅能级杂质电离能计算；杂质补偿作用及其产生原因；锗、硅晶体中深能级杂质特点和作用；III-V族化合物中的杂质能级的形成及特点；等电子陷阱、等电子络合物以及两性杂质的概念；缺陷、位错施主或受主能级的形成。

重点和难点：施主杂质和受主杂质的电离能、II-VI族化合物半导体的缺陷；完全电离的概念。 要求：掌握元素半导体杂质和缺陷的作用，理解II-VI族化合物半导体缺陷的作用，了解III-V族化合物半导体的杂质和缺陷。掌握锗、硅晶体中的浅能级形成原因，多子和少子的概念；了解浅能级杂质电离能的计算；了解杂质补偿作用及其产生的原因；了解锗、硅晶体中深能级杂质的特点和作用；了解III-V族化合物中的杂质能级的形成及特点；了解等电子陷阱、等电子络合物以及两性杂质的概念；了解缺陷（主要是两类点缺陷弗仑克耳缺陷和肖脱基缺陷）、位错（一种线缺陷）施主或受主能级的形成。

(3) 热平衡时半导体载流子的统计分布（10学时）

教学内容：状态密度，费米能级；载流子的费米统计分布和波尔兹曼统计分布；本征半导体的载流子浓度和费米能级公式推导和计算；非简并半导体载流子浓度和费米能级公式推导和计算、杂质半导体的载流子浓度以及费米能级随掺杂浓度以及温度变化的规律；简并半导体及其简并化条件。

重点和难点：非简并半导体载流子浓度计算、费米能级和载流子浓度随掺杂浓度以及温度的变化规律。

要求：理解状态密度，费米能级的概念；掌握半导体能量状态密度的计算、非简并半导体载流子浓度计算、浓度积的计算、费米能级和载流子浓度随温度的变化、本征半导体费米能级的计算；

理解费米分布函数、玻尔兹曼分布函数的概念和区别，理解非简并半导体、简并半导体概念，本征半导体载流子浓度随温度的变化；了解简并半导体的能带结构及掺杂等特性。

(4) 半导体载流子在电磁场中的运动（8学时）

教学内容：载流子的热运动特点；电场中载流子的漂移运动；晶格散射和电离杂质的散射理论；迁移率、电阻率、电导率和迁移率与杂质浓度和温度的关系；霍尔效应；强电场效应、多能谷散射。

重点和难点：晶格散射和电离杂质的散射；电导率和迁移率与杂质浓度和温度的关系。 要求：掌握晶格散射和电离杂质的散射机理、电导率和迁移率与杂质浓度和温度的关系；理解载流子的漂移运动、电导率、迁移率等概念，霍尔效应的形成机理以及由霍尔效应如何确定载流子浓度等参数，强电场效应的机理；了解载流子的平均自由程与散射机理的关系。

(5) 非平衡载流子的统计分布（10学时）

教学内容：非平衡载流子的概念；非平衡载流子的注入、复合及寿命；非平衡载流子的扩散；准费米能级；非平衡载流子的复合理论；陷阱效应；爱因斯坦关系；电流连续性方程。

重点和难点：非平衡载流子的复合机理和寿命；非平衡载流子的扩散及电流连续性方程。 要求：掌握非平衡载流子的间接复合机理和影响寿命的因素，掌握复合理论；非平衡载流子的扩散及电流连续性方程；陷阱效应；了解表面复合及其影响因素；掌握载流子的扩散运动及其计算；了解连续性方程。

(6) 半导体的接触（2学时）

教学内容：金半接触(肖特基势垒和欧姆接触)；了解功函数的概念；肖特基势垒高度；欧姆接触；整流特性的I-V曲线。MIS结构的积累、平带、耗尽、反型等几种状态，以及对应的C-V曲线的特征。

重点和难点：肖特基势垒或欧姆接触的形成条件 要求：了解形成肖特基势垒或欧姆接触的条件。 （二）自学内容和要求 教学内容：PN结及其特性 重点和难点：PN结的能带结构 要求：了解PN结的形成及其伏安特性 （三）实践性教学环节和要求（8学时）

半导体物理实验的任务是使学生在掌握半导体物理基础理论的基础上，通过实验教学加深学生对理论知识的理解和应用，启迪其思维，使其具有较强的创新能力。

教学内容：采用四探针仪测量半导体材料的方阻；利用霍尔效应确定半导体的极性、载流子浓度、迁移率以及电导率；非平衡少子的寿命等。

教学要求：掌握四探针测量方阻的方法、霍尔效应确定半导体的载流子浓度以及电导率，以及半导体材料的非平衡少子的寿命测试方法，提高分析和解决问题的能力以及实际的动手能力。

重点和难点：重点用四探针测量方阻的方法和霍尔效应确定半导体的载流子浓度以及电导率。难点主要是用霍尔效应如何判断半导体的极性。

学时分配：总学时8个。具体学时分配：四探针测量方阻3个学时；霍尔效应3个学时；非平衡少子的寿命测试2个学时。

四、考核方式

考核方式为考试；平时考核为出勤和作业完成情况(10%)、中期考核开卷(5%)、实践性环节(15%)、期末考核闭卷(70%)。

五、建议教材及参考资料

1、教材：《半导体物理》，第七版，刘恩科 编，2008，电子工业出版社。 2、参考资料：

①、《半导体物理学》(上下册)，第2版，叶良修 编著，2007，高等教育出版社。

②、《半导体器件物理》，第3版，施敏、伍国钰 著， 耿丽、张瑞智 译，2008，西安交通大学出版社。

③、《半导体器件物理与工艺》，施敏 著，赵鹤鸣 钱敏 黄秋萍 译，2009，苏州大学出版社.

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