《半导体物理与器件》课程教学大纲

1、半导体物理与器件教学大纲课程编号：100093101课程名称：半导体物理与器件高等教育层次：本科课程在培养方案中的地位：课程性质：必修课程类别：Bz类别专业基础课程基本模块适用专业：电子信息类专业开课学年及学期：非强制，建议大学三年级。先修课程（a)必须先修且考试通过的课程，b)必须先修过的课程，c)建议先修的课程）： a) 数学分析 工程数学 大学物理B 量子力学 b) 数学物理方法 c) 无课程总学分：4.5，总学时:72 课程教学形式：普通课程:0课程教学目标：课程教学目标（给出知识能力素养各方面的的具体教学结果）教学效果评价（选填项）不及格及格，中良优通过理论教学，使学生掌握半导体与半

2、导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决能力。完全不掌握半导体与半导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。完全不具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决能力。基本掌握半导体与半导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。基本具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决能力，但是知识掌握和能力形成不全面。较好掌握半导体与半导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。较好地具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决

3、能力。能够掌握半导体与半导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决能力，知识掌握和能力形成俱佳。通过课堂教学，使学生能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计。完全不能能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计。基本能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计，但对所涉及到的材料与器件设计中的原理和工艺技术应用不够精准

4、完善。能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计，对所涉及到的材料与器件设计中的原理和工艺技术应用不够完善。能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计，能够对所涉及到的材料与器件设计中的原理和工艺技术应用有精准和完善的应用。通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用工程数学、半导体物理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起理论模型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。完全不能应用工程数学、半导体物

5、理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起理论模型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。基本能够应用工程数学、半导体物理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起理论模型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。能够应用工程数学、半导体物理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起理论模型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。能够应用工程数学、半导体物理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起完善的理论模

6、型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。通过课堂教学和课外研讨，使学生能够结合半导体物理和半导体器件的基本原理，了解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。学会利益工程手册和网络数据库资源的来解决实际工程问题。完全不能够结合半导体物理和半导体器件的基本原理，了解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。不能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。基本能够结合半导体物理和半导体器件的基本

7、原理，了解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。基本能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。能够结合半导体物理和半导体器件的基本原理，了解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。能够结合半导体物理和半导体器件的基本原理，掌握解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。完全能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。5. 通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用所获得的

8、半导体物理与半导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。并能够根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题。完全无能力运用所获得的半导体物理与半导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。无能力根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题。基本有能力运用所获得的半导体物理与半导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。基本有能力根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题。能够运用所获得的半导体物理与半

9、导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。能够根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题，但设计和工艺方案稍有欠缺。很好运用所获得的半导体物理与半导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。能够根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题，设计方案完善、科学合理。课程教学目标与所支承的毕业要求对应关系毕业要求（指标点）编号毕业要求（指标点）内容课程教学目标（给出知识能力素养各方面的的具体教学结果）1.2具有对电子封装和电子制造相关问题进行表征、分析的物理、化学、力

10、学等知识课程目标1：通过理论教学，使学生掌握半导体与半导体器件的基本原理、基础知识和基础理论。具备解决涉及到半导体器件设计中的材料问题和工艺设计中遇到的复杂工程问题的分析解决能力。1.23.34.21.具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素。2. 熟悉电子封装和电子制造中相关器件、组件的结构和作用原理，具备对电子封装材料与结构、电子制造和封装工艺方案设计、实验过程及工艺流程设计、相关材料选取、性能测试以及可靠性分析的能力，并能够对实验结果进行分析课程目标2：通过课堂教学，使学生能够应用高等数学、半导体物理、材料科学基础

11、的基本原理来分析半导体器件的功能特性与器件设计所用材料及其工艺的设计。课程目标3：通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用工程数学、半导体物理和半导体器件原理，对涉及半导体器件设计的工程问能建立起理论模型，并对理论模型求解，能够利用理论模型的解指导器件的设计和对器件功能特性进行预测和评估。课程目标4：通过课堂教学和课外研讨，使学生能够结合半导体物理和半导体器件的基本原理，了解涉及到半导体材料的电学和光学特性的基本参数、半导体器件的基本特性参数进行测量的技术和方法。能够对半导体材料和半导体器件的基本参数进行测试和分析。学会利益工程手册和网络数据库资源的来解决实际工程问题。4.2熟悉电子封装和电

12、子制造中相关器件、组件的结构和作用原理，具备对电子封装材料与结构、电子制造和封装工艺方案设计、实验过程及工艺流程设计、相关材料选取、性能测试以及可靠性分析的能力，并能够对实验结果进行分析课程目标5：通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用所获得的半导体物理与半导体器件的知识，设计符合工程要求的pn结型，肖特基结型和场效应型半导体光电子和微电子器件。并能够根据器件参数测量结果分析并改进器件设计所涉及到的材料和工艺问题。教学内容、学时分配、与进度安排教学内容学时分配所支承的课程教学目标教学方法与策略（可结合教学形式描述）（选填）绪 论半导体与集成电路历史，集成电路，制造，本课程内容和要求。21.

13、2固体晶格结构1.1半导体材料固体类型空间晶格原子价键固体中的缺陷和杂质半导体生长器件工艺与技术小结31.2固体理论初步2.1量子力学基本原理薛定谔波动方程薛定谔波动方程的应用能带理论态密度函数统计力学小结101.2平衡态半导体3.1平衡态半导体中的载流子3.2 杂质原子与能级3.3 非本征半导体3.4 施主和受主的统计力学3.5 电中性状态3.6 费米能级的位置3.7 小结51.2载流子输运现象4.1 载流子的漂移运动4.2 载流子扩散4.3 杂质梯度分布4.4 霍尔效应4.5 小结51.23.34.2半导体中的非平衡过剩载流子5.1 载流子的产生与复合5.2 过剩载流子的性质5.3 双极输

14、运5.4 准费米能级5.5 过剩载流子的复合寿命5.6 表面效应5.7 小结51.23.34.2pn结6.1 pn结的基本构造6.2 零偏6.3 反偏6.4 非均匀掺杂pn结6.5 小结51.23.34.2pn结二极管7.1 pn结电流7.2 pn结的小信号模型7.3 产生-复合电流7.4 结击穿7.5 电荷存储与二极管瞬态7.6 隧道二极管7.7 小结51.23.34.2金属半导体和半导体异质结8.1 肖特基势垒二极管8.2 金属-半导体的欧姆接触8.3 异质结8.4 小结41.23.34.2双极晶体管9.1 双极晶体管的工作原理9.2 少数载流子的分布9.3 低频共基极电流增益9.4 非理

15、想效应9.5 等效电路模型9.6 频率上限9.7 大信号开关9.8 小结71.23.34.2金属-氧化物-半导体场效应管基础10.1 双端MOS结构电容电压特性MOSFET基本工资原理频率限制特性10.5 小结41.23.34.2金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念的深入11.1 非理想效应11.2 MOSFET按比例缩小理论11.3 阈值电压的修正11.4 附加电学特性11.5 辐射和热电效应11.6 小结71.23.34.2结型场效应晶体管12.1 JFET概念12.2 器件的特性12.3 非理想因素12.4 等效电路和平率限制12.5 高电子迁移率晶体管12.6 小结41.23.34.

16、2光电器件13.1 光吸收13.2 太阳能电池13.3 光电探测器13.4 光致发光和电致发光13.5 光电二极管13.6 激光二极管13.7 小结61.23.34.2考核与成绩评定：平时成绩、期末考试在总成绩中的比例，平时成绩的记录方法。（1） 课程整体考核课程目标序号课程目标考核方式及标准课程目标1课程目标1：通过理论教学，使学生掌握微波传输线理论、微波无源元器件和微波网络等的微波技术基础知识，并具备解决电子信息系统中涉及到的微波分系统或部件复杂工程问题的能力。统计期末考试第1大题平均得分率，统计各次作业学生平均得分率，经加权计算可得该课程目标达成度数值。若达到60%，则判定这门课达成对第

17、1.2条毕业要求的支撑，达到课程目标1。课程目标2课程目标2：通过课堂教学，使学生能够应用高等数学、电磁学的基本原理来区分电子信息系统中那些是微波技术所涉及的问题，并能够用高等数学、电磁学的描述方式来表达这些问题。统计期末考试第2大题平均得分率，统计各次作业学生平均得分率，经加权计算可得该课程目标达成度数值。若达到60%，则判定这门课达成对第1.2、3.3、4.2条毕业要求的支撑，达到课程目标2。课程目标3课程目标3：通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用高等数学、电磁学的基本原理来选择和掌握电子信息系统中微波技术所涉及分系统或部件的数学模型，并能够分析求解数学模型得出结论。学生应能掌握验

18、证性实验的原理、基于的数学模型和预期结论。统计期末考试第3大题平均得分率，统计各次作业学生平均得分率，统计各次综合大作业学生平均得分率，经加权计算可得该课程目标达成度数值。若达到60%，则判定这门课达成对第1.2、3.3、4.2条毕业要求的支撑，达到课程目标3。课程目标4课程目标4：通过课堂教学和课外研讨，使学生能够了解微波技术领域的重要标准规范、重要学术论文的来源和检索途径，引导学生通过检索获取相关信息，使之有助于开展微波工程领域复杂问题的分析。统计各次综合大作业学生平均得分率，经加权计算可得该课程目标达成度数值。若达到60%，则判定这门课达成对第1.2、3.3、4.2条毕业要求的支撑，达到

19、课程目标4。课程目标5课程目标5：通过课堂教学和学生自主学习，使学生能够应用所获得的微波传输线、微波无源元器件和微波网络的知识，设计符合工程要求的传输线、谐振腔等无源元器件和网络结构。统计各次综合大作业学生平均得分率，统计读书报告学生平均得分率，经加权计算可得该课程目标达成度数值。若达到60%，则判定这门课达成对第4.2条毕业要求的支撑，达到课程目标5。（2） 学生个体成绩评定序号考核项目/方式比例考核类型/考核时长/字数要求考评内容（课程目标的对应项）1平时作业20%30小时共10次课后作业，第1次为完成第一，第二和第三章教学后；第2次为第四和第五章问题；第3次为第六和第七章问题；第四次为第

20、八和第九章问题；第五次是第十章的问题；第六次是第十一和第十二章的问题；第七次是第十三章的问题；第八次是第十四章的问题。对应课程目标1、2、3、4、5。2综合大作业15%20小时共4次综合大作业，第1为固体晶格、量子力学及其应用和量子理论初步；第二次是半导体载流子与载流子输运；第三次是pn结与肖特基结部分知识； 第三次是双极晶体管原理及非理想效应；第四次是场效应管原理与非理想效应；第四次是光器件与功率器件部分知识。对应课程目标1、2、3、4、5。3读书报告10%5000字2次读书报告，第一次是在指定范围内阅读经典半导体物理和固体物理书籍，第二次是半导体器件原理与设计工艺指定书籍，写出两份读书报告

21、。对应课程目标5。4期末考试60%闭卷，2小时。考核基础理论知识和技术手段的掌握程度，能用理论和技术开展微波工程问题的分析。对应课程目标1、2、3、4。各项考核项目均按照百分制给分，记录在成绩表中，总评成绩时按照各项比例进行加权，然后总和得出考核成绩，60分以下为不及格，60分（含）70分为及格，70分（含）80分为中等，80分（含）90分为良好，90分（含）100分为优秀。若期末考试卷面成绩（百分制）低于60分，则总评成绩为不及格，总评成绩为卷面成绩经60%加权后的成绩，不计平时成绩。教材，参考书:选用教材：【美】Donald A. Neamen 著，赵毅强，姚素英 解晓东等译，半导体物理与

22、器件M（第四版），北京:电子工业出版社，2015。 参考书：1. C. Kittel【美】著，固体物理导论M，北京:中国科学出版社，2010。 2. 曾谨言著， 量子力学，中国科学出版社，2012。大纲说明：本课程是一门专业技术基础课，适合于固态电子设计与制造类专业。在固态微电子设计和制造过程中，不可避免地将涉及到各种半导体材料与器件的设计和工艺问题。因此，有关半导体材料与器件的基础知识是未来电子工程师所必须具备的。本课程主要要求掌握半导体材料特性与半导体器件的理论和设计原理和基本工艺，初步掌握微电子器件的设计方法和检测方法与技术，为同学们进一步的学习及走向实际工作岗位打下一个良好的工程基础。

23、本课程要求学生具有较深厚的数学基础和物理知识，必须熟练掌握半导体材料与半导体物理、与固体物理的量子理论的基本概念和基础知识。本课程是后续专业课程集成电路设计与封装技术等课程的基础。 编写教师签名： 责任教授签名： 开课学院教学副院长签名： Fundamentals of Semiconductor Physics and DevicesCourse code: 100093101Course name: Fundamentals of Semiconductor Physics and DevicesLecture Hours:72Laboratory Hours:0Credits:4.5Pr

24、erequisite(s): a)Mathematical analysis, Engineering Mathematics, General college physics and introduction to modern Physics b) Mathematical Methods of PhysicsCourse Description:The purpose of this course is to provide a basis for understanding the characteristics, operation, and limitations of semic

25、onductor devices. In order to gain this understanding, it is essential to have a thorough knowledge of the physics of the semiconductor material. The goal of this course is to bring together the fundamental physics of the semiconductor material and the semiconductor device physics.This course is int

26、ended for junior and senior undergraduates in electrical engineering. The prerequisites for understanding the material are college mathematics, up to and including differential equations, and college physics, including an introduction to modern physics and electrostatics. Prior completion of an intr

27、oductory course in in electronic circuits is helpful, but not essential.Course Outcomes:After completing this course, a student should be able to:Developed a basic understanding for the characteristics, operation, and limitations of semiconductor devices.Developed a basic understanding for the chara

28、cteristic of semiconductor material.Developed a basic understanding for the semiconductor devices physics.Developed a basic ability to estimate the general characteristics of semiconductor device.Developed a basic ability to design a semiconductor device that is in view of special utilization.Course

29、 Content:Lectures and Lecture Hours: 0 Introductions 2 The purpose of this course and the main contains of this course1 The Crystal of Solids31.1 Semiconductor Material1.2 Types of Solids1.3 Space Lattices 1.4 Atomic Bonding 1.5 imperfections and Impurities in Solids1.6 Growth of Semiconductor Mater

30、ials1.7 Devices Fabrication TechniquesSummary2 Theory of Solids102.1 Principles of Quantum Mechanics2.2 Energy Quantization and Probability Concepts2.3 Energy-Band Theory2.4 Density of States Function2.5 Statistical MechanicsSummary3 The semiconductor in Equilibrium 53.1 Charge Carriers in Semicondu

31、ctors3.2 Dopant Atoms and Energy Levels3.3 Carrier Distributions in the Extrinsic Semiconductor3.4 Statistics of Donors and Acceptors3.5 Carrier ConcentrationsEffects of Doping3.6 Position of Fermi Energy LevelEfects of Doping and Temperature3.7 Device Fabrication Technology: Diffusion and Ion Impla

32、ntationSummary4 Carrier Transport and Excess Carrier Phenomena 54.1 Carrier Drift4.2 Carrier diffusion4.3 Graded Impurity4.4 Carrier Generation and Recombination4.5 The Hall EffectSummaryThe pn Junction and Metal-semiconductor Contact85.1 Basic Structure of the pn Junction5.2 The pn JunctionZero App

33、lication Bias5.3 The pn JunctionReverse Applied Bias5.4 Metal-Semiconductor ContactRectifying Junction5.5 Forward Applied BiasAn Introduction5.6 Metal-Semiconductor Ohmic Contact5.7 Nonuniformly Doped pn Junctions5.8 Device Fabrication TechniquesSummaryFundamentals of the Metal-Oxide-Semiconductor F

34、ield-Effect Transistor 66.1 The MOS Field-Effect Transistor Action6.2 The Two-Terminal MOS Capacitor6.3 Potential Differences in the MOS Capacitor6.4 Capacitance-Voltage Characteristics6.5 The Basic MOSFET Operation6.6 Small-Signal Equivalent Circuit and Frequency Limitation Factors6.7 Device Fabric

35、ation TechniquesSummary7 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: Additional Concepts67.1 MOSFET Scaling7.2 Nonideal Effects7.3 Threshhold Voltage Modifications7.4 Additional Electrical Characteristics7.5 Device Fabrication Techniques: Specialized DevicesSummary8 Nonequilibrium Excess Carriers in Semiconductors48.1 Carrier Generation and Recombination8.2 Analysis of Excess Carrier8.3 Ambipolar Transport8.4 Qusi-Fermi energy Levels8.5 Excess Carrier Lifetime8.6 Surface EffectsSummaryThe pn Junction and Schottk