半导体物理与器件 教学大纲

《半导体物理与器件》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称半导体物理与器件SemiconductorPhysics&Devices课程代码2080410006课程性质必修开课院部应用物理与材料学院课程负责人课程团队授课学期5学分/学时48课内学时48理论学时48实验学时0实训（含上机）0实习0其他0适用专业电子信息工程（半导体绿色光源、光电工程模块）大三授课语言中文对先修的要求基础物理中的量子力学、固体物理中的晶体结构、能带结构、电子态、费米分布统计等知识，先修课程为《基础物理》、《量子力学基础与固体物理》对后续的支撑为《光电综合实训》、《毕业设计（论文）》提供半导体物理和半导体器件物理、光电器件的基础知识、分析半导体器件特性的方法和设计半导体器件结构的基础。课程思政设计教育学生的集体观念，团队协助精神，以动态发展的观点去看到我们的社会和国家，以历史进展的角度去看到一些社会问题；要有大局意识，为了集体的利益，具有成全别人的服务意识；工匠精神、敬岗爱业和实干精神。创新创业教育设计本课程一方面通过课程报告的形式培养学生的创新意识及表达创新想法的能力，及学习能力、决策能力、与人沟通和团队协作等创业能力；另一方面任课教师会将自己的科研课题有机引入到教学当中，或作为课堂互动环节，或作为随堂作业，组织同学们围绕某一特定现象或某一理论展开调研和辩论，培养学生的独立思考能力和判断能力。课程简介本课程是电子信息类、光电类、微电子类本科生在半导体物理与器件方面重要的专业基础核心课程，为学生提供包括半导体的电子态、热平衡下的载流子、载流子的输运等半导体物理知识，PN结、双极结型晶体管、MOS结构及MOS场效应晶体管、金半场效应管及其相关器件、微波二极管、量子效应和热电子器件等半导体器件物理知识、以及部分半导体制造工艺知识。本课程采用课堂教学、案例分析、专题报告和分组讨论等教学方式，使学生理解半导体物理基本知识、基本理论和基本分析手段；能够运用半导体理论知识表达、论证和分析光电材料及器件的工作原理、载流子输运过程、工作条件以及所涉及的复杂工程问题进行有效分解；能够综合考虑器件的适用范围、发生击穿的条件和因素；能够运用信息技术与工具对半导体材料或光电器件特定主题进行文献检索，信息的整理与归纳。二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1:运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。指标点1.3：能够将半导体材料与器件相关基本原理用于解释和推断光电子材料和器件的设计、制造和应用等电子科学与技术领域的复杂工程问题。毕业要求1:能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决电子科学与技术领域，尤其是光电子材料、器件与系统中的复杂工程问题。2目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。指标点2.3：针对光电子材料、器件、系统的设计、制造和应用等电子科学与技术领域的复杂工程问题，能列举多种解决方案。毕业要求2:能够应用数学、物理、电子、光电子及工程科学的基本原理，识别和表达，并通过文献研究分析电子科学与技术领域，尤其是光电子材料、器件与系统中的复杂工程问题，获得有效结论。3目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围、发生击穿的条件和因素。指标点3.1：能够对光电子材料、器件、系统的设计、制造和应用等电子科学与技术领域的复杂工程问题完成需求分析，制定设计目标，并明确相关约束条件。毕业要求3:能够设计针对电子科学与技术领域，尤其是光电子材料、器件与系统中的复杂工程问题的解决方案，结合工程应用中的内外部因素，设计和开发满足特定需求的工艺流程、器件与系统，并能够在设计环节体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素。4目标4：能够熟练运用互联网等信息技术与工具对半导体材料与光电器件领域特定的主题进行文献检索，并能够进行信息的整理与归纳。指标点5.1：能够熟练选择和使用恰当的互联网等信息技术与工具进行文献检索，并进行信息整理归纳。毕业要求5:能够针对电子科学与技术领域，尤其是光电子材料、器件与系统中的复杂工程问题，开发、选择和使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

三、教学内容及进度安排序号教学内容学生学习预期成果课内学时教学方式支撑课程目标1专题1：半导体的电子态，主要内容包含：（1）晶体结构基础（2）电子能带结构的形成（3）半导体在载流子：电子与空穴（4）有效质量的引入与载流子共有化运动思想。案例分析：从载流子的共有化运动规律，引出集体观念，团队协助精神。重点和难点：半导体载流子的有效质量和共有化运动思想的理解和掌握.解释和判断半导体的能带结构的形成、载流子的种类及其特性，电子与空穴的有效质量及其共有化运动的思想，培养学生具有集体观念和团队协助精神。4讲授目标1：运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。2专题2：热平衡下的能带和载流子浓度，主要内容包含：（1）热平衡的概念；（2）本征半导体载流子浓度的计算；（3）非本征半导体载流子浓度的计算；（4）费米能级的物理涵义。案例分析：热平衡的概念引起自然界的存在的物质都是一个动态平衡过程，引申出以动态发展的观点去看到我们的社会和国家，以历史进展的角度去看到一些社会问题。重点和难点：费米分布、质量作用定律、本征载流子、非本征多子和少子浓度计算的四个方程式运用费米子的概念、费米分布统计物理思想和费米能级的物理内涵，可计算出载流子的浓度、费米能级在能带结构中的位置，并判断半导体的类型。培养学生具有发展的眼光看到事物。4讲授/课外习题目标1：运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。3专题3：半导体载流子的输运现象，主要内容包括：（1）载流子的漂移运动；（2）载流子的扩散运动；（3）爱因斯坦关系式；（4）产生与复合过程；（5）连续性方程。重点和难点：载流子的漂移和扩散运动，分别涉及到迁移率和扩散系数的推导与理解、以及它们之间的内在关联：爱因斯坦关系式判断半导体中电子或空穴载流子的主要运输方式，解释在外场下的漂移运动以及在浓度梯度场下的扩散运动，迁移率和扩散系统的计算方法，以及它们之间的内在关联性。4讲授/案例分析目标1：运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。4专题4：PN结与异质结，主要内容包括：（1）热平衡下pn结；（2）pn结的伏安特性；（3）异质结的概念和能带结构图。重点和难点：（1）热平衡下pn结的空间电荷层、内建电场和电势的形成、少子分布图和能带结构图；（2）pn结的伏安特性，正向和反向电压下空间电荷层的厚度、电势差、少子分布和能带结构图的变化；（3）PN结的器件应用（4）异质结能带图的构建解释PN结空间电荷层的形成以及其特征，包括空间电荷层的厚度、内建电场和电势、少子分布图和能带结构与那些微观参数有关联，以及它们的分析和计算方法；求解PN结在正反向外加偏压下，空间电荷层的厚度、电势差、周围的少子分布等变化规律以及涉及到的载流子扩散和漂移运动过程；能借助文献和书籍，分析与解释PN光伏器件、半导体制冷器、LED等光电器件的工作原理，建立模型，求解在工作模式下器件的工作模式、载流子的输运过程和少子分布情况。根据已知能带结构图的半导体材料，构建出异质结的能带结构，并计算出的异质结势垒差的方法。8讲授/案例分析/课外习题目标1：运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。5专题5：双极结型晶体管，主要内容包括：（1）双极型晶体管的基础、工作模式和放大作用；（2）晶体管内部各电流的关系以及共基极和共发射极的放大系统的表达式以及两者之间的关系；（3）可控硅器件的工作原理和器件应用。案例分析：从少数载流子的配合而成全多数载流子的导通与截止，引申出要有大局意识，为了集体的利益，具有成全别人的服务意识。重点和难点：四种工作模式下的少子分布图和能带结构图、放大状态下晶体管内部各电流的关系和规律、共基极和共发射基的放大系数、可控硅的工作原理及应用例子能运用半导体理论知识分析和识别四种工作模式下的能带结构图、少子分布图等的变化；理解并掌握了放大状态下晶体管内部各电流的关系和规律、共基极和共发射基的放大系数；理解了可控硅器件的工作原理，能根据输入曲线，分析和判断输出特征曲线。培养学生具有大局意识，成全别人的服务意识。4讲授/案例分析目标1：运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。6专题6：MOS结构及MOS场效应晶体管，主要内容包括：（1）MOS结构基础；（2）MOSFET晶体管的基础；（3）MOS和MOSFET器件的应用。案例分析：从MOS和CMOS工艺及芯片制造的精细加工工艺，引发出工匠精神、敬岗爱业和实干精神。重点和难点：MOS器件结构基础：n沟道或者p沟道的形成过程，积累、耗尽和反型三种状态形成的条件与特征、能级结构图、少子分布图、C-V特征曲线；MOS场效应晶体管（MOSFET）：工作原理，种类及其器件应用能运用半导体理论知识对MOS结构沟道的形成过程，三种状态的形成条件与特征、能级结构图、少子分布图、C-V特征曲线以及它们之间的内在关联性等复杂问题进行有效分解和适当的表达；能根据I-V或者C-V特征曲线识别MOS结构类型；能够描述MOSFET的工作原理；能根据器件IV特征曲线判断器件类型和栅极的阈值电压；能根据设定的MOSFET结构，计算出器件所需要的阈值电压或者根据设定的阈值电压构建合适的MOSFET器件结构；理解和分析了几种常见的MOS应用器件的工作原理：MOS存储器、CMOS反相器、CCD器件、单电子存储器。培养学生具有工匠精神、敬岗爱业和实干精神。8讲授/案例分析/课堂测试目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。7专题7：金属与半导体场效应管及其相关器件，主要内容包括：（1）金属与半导体接触的势垒模型；（2）肖特基结的整流理论；（3）少子的注入与欧姆接触；（4）金属半导体场效应晶体管基础。重点和难点：M-S接触的势垒模型，M-S接触的整流理论，MESFET工作原理，重点的理解与掌握四个工作电压：内建电压、饱和电压，夹断电压、阈值电压，以及它们之间的内在关联性.判断金属与半导体接触前后能级结构图的变化，能根据能级结构计算出接触后热平衡下肖特基结两端的电势差；掌握了金属半导体场效应管的工作原理，能根据设定的器件要求，设计MESFET的器件结构，并计算相关的工作电压条件，如阈值电压、夹断电压和饱和电压等参数，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。6讲授/案例分析/课堂测试/课外习题目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。8专题8：微波二极管、量子效应和热电子器件，内容包括隧道二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管、转移电子器件、量子效应器件和热电子器件五种典型的微波发射器件。重点和难点：负电阻的概念、产生过程与微波发射器件之间的关联，隧道二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管、转移电子器件、量子效应器件和热电子器件的工作原理和特征能运用半导体理论知识分析和判断负电阻产生过程与微波发射器件之间的关联；能结合专业知识对隧穿二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管、转移电子器件、量子效应器件和热电子器件等器件的工作原理、性能特征及其与载流子输运过程的关系等问题进行有效的分析与分解。4讲授/案例分析/课外习题目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。9专题报告和分组讨论：根据拟定的15个主题，学生分组后选定一个主题进行文献检索后，要求每个组员至少阅读5篇以上的相关主题专业文献，组长汇集组员的文献报告并做好记录后，组内进行讨论并形成共识；在课堂上组长上来分享本组的资料检索结果与结论，其他组对其评论与提问。能够熟练运用互联网等信息技术与工具对半导体材料与光电器件领域特定的主题进行有效的文献检索，并能够进行信息的整理与归纳，得出有效的结论，并且能以专业知识清晰表达。6分组讨论/口头答辩目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。目标4：能够熟练运用互联网等信息技术与工具对半导体材料与光电器件领域特定的主题进行文献检索，并能够进行信息的整理与归纳。四、课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)平时与作业表现专题报告/答辩课堂测验考试1目标1:运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。(支撑毕业要求指标点1.3)重点考核学生运用半导体理论基础知识，判断和解释电子与空穴有效质量的正负号、迁移率与扩散系数的关联性、载流子浓度计算的五个方程、pn结、MOS结构、M-S接触结等半导体器件结构的工作原理、能带结构图以及器件内部的载流子输运过程关系。50020252目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。(支撑毕业要求指标点2.3)重点考核学生运用半导体理论知识，对pn结、双极型晶体管、MOS结构及MOSFET器件、金属半导体接触结及MSFET场效应管等器件的IV特征曲线、CV曲线、少子分布图、能带结构图在不同工作模式下的变化规律以及与载流子输运过程的关联性等进行建模与求解。510010253目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。(支撑毕业要求指标点3.1)重点考核学生对常用几种半导体器件如LED发光器件、PN光伏器件、可控硅器件、半导体制冷、单电子存储器、MOSFET和MSFET等器件的结构设计能力、并对所设计的器件结构进行有效的分析与计算，并综合考虑其适用范围和影响因素。501020354目标4：能够熟练运用互联网等信息技术与工具对半导体材料与光电器件领域特定的主题进行文献检索，并能够进行信息的整理与归纳。(支撑毕业要求指标点5.1)考核学生围绕一个相关主题进行文献检索和资料收集、整理、分析与归纳的能力，考核学生综合运用专题1-8知识的能力。0150015合：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》（说明：1.评价依据主要有：平时表现、作业、案例分析、实验/实习/调研报告、上机、考试等，应根据该课程实际设置的考核方式填写，不够可以加列；2.各考核方式逐一填写评分标准表）五、教材及参考资料1．《半导体器件物理与工艺》，施敏编著，苏州大学出版社，2014年出版，第三版，ISBN：9787567205543.2．《半导体物理学》，刘恩科编著，电子工业出版社，2017年出版，ISBN：9787121129902.六、教学条件无特殊要求。大纲执笔人：罗坚义审核人(专业负责人/系主任)：范东华制定时间：2019年9月20日附录：各类考核评分标准表平时与作业表现评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1:运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。（支撑毕业要求指标点1.3）准确、清晰地解释和判断出常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。基本正确解释和判断出常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。在解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程上存在比较明显的错误、部分表述不准确。无法有效解释和判断出常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。5目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。(支撑毕业要求指标点2.3)运用半导体理论知识，列举至少2种可能的建模和求解方案，求解过程正确，思路清晰完整。运用半导体理论知识，列举至少1种建模和求解方案，求解过程基本正确，存在的少量错误。运用半导体理论知识，列举至少1种建模和求解，求解过程存在明显错误，但基本思路正确。无法运用半导体理论知识进行有效的建模和求解，求解过程和基本思路均存在较大错误。5目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。（支撑毕业要求指标点3.1）能根据特定光电器件的需求，准确设计出半导体器件的结构，并对所设计的器件结构进行分析和计算，准确得出相关器件的工作条件，并能全面综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。能根据特定光电器件的需求，设计出半导体器件的结构基本正确，对所设计的器件结构分析和计算，得出相关器件的工作条件基本正确，考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素存在考虑不周之处。根据特定光电器件的需求，设计出半导体器件的结构大致正确但有明显缺陷，对所设计的器件结构分析和计算，得出相关器件的工作条件存在明显偏差，考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素不够全面。无法根据特定光电器件的需求，设计出半导体的器件结构；无法有效分析和计算所设计器件结构的工作条件；无法考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。5注：有旷课记录或无按时提交作业的，实现扣分制，每次扣10分（100分制）。专题报告评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标2：运用半导体理论知识对光电材料及器件的工作模式、载流子的输运过程、能带结构图、少子分布图进行分析与研究，列出多种可能的建模与求解方案。（支撑毕业要求指标点2.3）在讲解半导体的类型、工作模式以及载流子的输运过程；根据半导体器件的能带结构图或者少子分布图，计算载流子的浓度、工作模式，并构建器件的输入和输出特征曲线等方面，没有错误，或仅有一点瑕疵。在讲解半导体的类型、工作模式以及载流子的输运过程；根据半导体器件的能带结构图或者少子分布图，计算载流子的浓度、工作模式，并构建器件的输入和输出特征曲线等方面存在少量的错误，存在少量错误，但没有原则性错误。在讲解半导体的类型、工作模式以及载流子的输运过程；根据半导体器件的能带结构图或者少子分布图，计算载流子的浓度、工作模式，并构建器件的输入和输出特征曲线等方面存在着明显的错误在讲解半导体的类型、工作模式以及载流子的输运过程；根据半导体器件的能带结构图或者少子分布图，计算载流子的浓度、工作模式，并构建器件的输入和输出特征曲线等方面无法得到有效的结论10目标4：能够熟练运用互联网等信息技术与工具对半导体材料与光电器件领域特定的主题进行文献检索，并能够进行信息的整理与归纳。（支撑毕业要求指标点5.1）能熟练运用多种信息技术与工具，所检索的文献紧扣主题，归纳和总结深入浅出，有效结论较为正确。报告时思路较为清晰，表述清楚，能有效调动同学们的兴趣。能运用互联网等信息技术与工具，大多数的文献紧扣题目，归纳和总结基本全面，存在一些不足之处；报告时，思路基本清晰，能正确表述自己的观点和结论。基本能运用网络和信息资源，部分文献紧扣题目，归纳和总结存在明显的不足。报告时思路基本清晰，表述的观点和结论有明显错误。不能较好的运用互联网等信息技术与工作，所检索的文献无法紧扣题目，无法形成有效的总结和归纳。报告时思路不清晰，结论和观点不清晰。15

课堂测验与讨论评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标3：能根据特定光电器件的需求，设计半导体器件的结构，并能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。（支撑毕业要求指标点3.1）灵活综合运用知识，能根据半导体、金属和绝缘体的材料属性，设计符合特定需要的半导体器件结构，能对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，如工作电压、阈值电压、夹断电压和饱和电压等参数，并能综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素。综合运用知识，在根据半导体、金属和绝缘体的材料属性，设计符合特定需要的半导体器件结构，对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，如工作电压、阈值电压、夹断电压和饱和电压等参数，综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素等方面存在着少量错误。综合运用知识，在根据半导体、金属和绝缘体的材料属性，设计符合特定需要的半导体器件结构，对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，如工作电压、阈值电压、夹断电压和饱和电压等参数，综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素等方面存在着大量而且明显的错误。无法综合运用知识，在根据半导体、金属和绝缘体的材料属性，设计符合特定需要的半导体器件结构，对所设计的器件结构进行分析和计算，得出相关器件的工作条件，如工作电压、阈值电压、夹断电压和饱和电压等参数，综合考虑器件的适用范围和发生击穿的条件和因素等方面无法获得有效的结论10注：课堂测验发现有抄袭和作弊情况，取消本次测验成绩。

考试评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1:运用半导体理论的基础知识，解释和判断常用半导体器件结构的工作原理、能带结构以及不同工作模式下的载流子输运过程。（支撑毕业要求指标点1.3）对半导体理论的基础知识、基本概念与器件原理理解准确，对各种常用表达方法能正确辨析和选择。能在名词解释、概念题的表述与解释上准确无误。对半导体理论的基础知识、基本概念与器件原理理解准确，对各种常用表达方法能正确辨析和选择。在名词解释、概念题的表述与解释上存在少量非原则性的大错误。对半导体理论的基础知识、基本概念与器件原理理解基本准确，在名词解释、概念题的表述与解释上存在一些错误，特别是原则性错误。对半导体理论的基础知识、基本概念模糊不清，表述错误严重