《半导体物理与器件》课程教学大纲

《半导体物理与器件》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101134123203课程名称（中/英文）：半导体物理与器件/SemiconductorPhysicsandDevices课程类别：专业核心课程学分：2.5总学时：40理论学时：40实验/实践学时：0适用专业：材料物理适用对象：本科先修课程：原子物理与量子力学、固体物理教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的通过本课程学习要求学生全面地了解和掌握半导体物理的基本知识和基础理论，为后继专业课程的学习、阅读有关微电子科技资料及将来从事科研和半导体光电子器件的设计与开发等技术工作奠定良好基础。在学习半导体的发展历程时，回顾中国改革开放以来的成绩，激发学生道路自信，投入经济建设、一线建功立业的热情，同时让学生认识到目前国家面临的问题：国外对某些关键半导体技术进行封锁，但我国科研人员不畏艰难，努力追赶并在芯片等领域取得了突破，培养学生的爱国精神和在困境中奋发图强的意志；在学习PN结机理时，引导学生认识到科学理论的建立往往需要经过反复的实验和验证，培养学生要有严谨的科学态度和不断追求真理的精神；在学习双极型晶体管时，讲述其在通信、计算机等领域的应用，让学生了解到科技进步对社会发展的巨大影响，激发他们对科学技术的学习和追求；在学习MOS场效应晶体管时，讲述相关产业的发展，例如随着芯片制造工艺的不断进步，MOS场效应晶体管的尺寸越来越小，性能不断提升，推动了电子产品的微型化和智能化发展，鼓励学生勇于创新，培养坚韧不拔的科学精神。在课程授课过程中，注意结合马克思主义原理的思想，培养学生的科学思维方式，解决问题要抓住问题的主要矛盾，先解决主要矛盾，再解决次要矛盾，从而培养学生发现问题，提出问题和解决问题的能力。2.对接培养的岗位能力通过本课程的学习和解决科学问题的训练，培养学生的科学思维方式，理性合理的解决问题，为以后在工作中解决实际问题奠定基础。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点1.3]能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的推演分析。[毕业要求指标点4.2]能够基于新材料、新工艺、新技术和新设备的研发现状，针对新能源材料制备复杂工程问题的特定性能需求，利用材料物理的基本原理，选择合理技术路线，设计可行试验方案。[毕业要求指标点12.3]针对个人或职业发展需求，能接受和应对新技术、新事物和新问题带来的挑战。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下教学目标1：掌握半导体物理和半导体器件的基本概念和基本规律，对于基础理论，要求应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。（支撑毕业要求指标点1.3）教学目标2：注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合。针对新能源材料制备相关工程问题的特定性能需求，借助材料物理的基础知识，选择合理技术路线，设计可行试验方案。（支撑毕业要求指标点4.2）教学目标3：通过本课程的学习，使学生对半导体科学产生兴趣，以便今后进一步深入学习半导体物理和研究半导体器件，并能利用所学知识应对其他新技术带来的挑战。（支撑毕业要求指标点12.3）四、教学课时安排（一）学时分配主题教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题1半导体材料的基本性质1010001、2、3主题2PN结机理与特性1010001、2、3主题3双极型晶体管1010001、2、3主题4MOS场效应晶体管1010001、2、3合计4040五、教学内容及教学设计主题1半导体材料的基本性质1.教学内容半导体材料的晶格结构及电子的状态，半导体中的杂质和缺陷，热平衡状态下载流子的浓度问题，非平衡载流子，载流子的输运机制。2.教学重点掌握能带理论以及从能带理论的角度分析半导体的导电机制；熟悉半导体中电子的状态及其运动规律；熟悉实际半导体中的杂质和缺陷的种类、性质及其作用。3.教学难点掌握并且会计算热平衡状态下载流子的浓度、以及非平衡载流子的概念、产生及其随时间的演化规律（寿命问题）。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）以多媒体技术为手段，结合图片，视频等，向学生讲授该部分知识，在授课过程中，结合学生的听课状态和内容，及时设计提问，互动，讨论等环节。主题2PN结机理与特性1.教学内容器件制备基础，平衡态p-n结、异质结，p-n结的电流－电压特性及击穿效应，p-n结电容：势垒电容与扩散电容，p-n结二极管。2.教学重点理解和熟悉p-n结及其能带图；掌握p-n结的电流—电压特性以及电容—电压特性3.教学难点理解和掌握p-n结二极管的工作原理及其稳态响应的建模等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）以多媒体技术为手段，结合图片，视频等，向学生讲授该部分知识，在授课过程中，结合学生的听课状态和内容，及时设计提问，互动，讨论等环节。主题3双极型晶体管1.教学内容BJT的基础知识，包括基本概念、制备工艺、静电特性及工作原理等，BJT的静态特性，BJT的动态响应模型。2.教学重点在对p-n结二极管工作原理分析的基础上，学会将此分析进行合理的拓宽，即从单结/两端二极管发展到双结/三端晶体管。3.教学难点掌握双极结型晶体管(BJT)的基本概念、符号的定义、工作原理的定性分析以及关键的关系表达式等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）以多媒体技术为手段，结合图片，视频等，向学生讲授该部分知识，在授课过程中，结合学生的听课状态和内容，及时设计提问，互动，讨论等环节。主题4MOS场效应晶体管1.教学内容理想MOS结构，静电特性以及电容-电压特性，MOSFET的结构和工作原理的定性分析，MOSFET伏-安特性的定量分析及交流效应，非理想MOS结构及MOSFET的阈值设计。2.教学重点掌握MOSFET的基本工作原理与物理机制；掌握MOSFET器件的主要结构形式、工作特性。3.教学难点熟悉MOSFET的电容-电压特性、伏-安特性及其交流效应，掌握主要参数和特性的分析与计算方法。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）以多媒体技术为手段，结合图片，视频等，向学生讲授该部分知识，在授课过程中，结合学生的听课状态和内容，及时设计提问，互动，讨论等环节。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例平时成绩按照五级制（优秀、良好、中等、及格、不及格），期末成绩按照百分制。期末考试根据学生的学习情况采用灵活的方式进行考核。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文其他√√√√成绩比例%10101010602.课程考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核期末考试合计出勤及课堂作业小论文教学目标1指标点1.376314~2730~43教学目标2指标点4.252718~3132~45教学目标3指标点12.382015~2825~38合计201010601003.课程成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~90分）中等（70~80分）及格（60~70分）不及格（<60分）出勤及课堂表现（20%）无迟到、早退、旷课情况。积极参与课堂讨论，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退情况。较为积极参与课堂讨论，并能准确回答问题，有自己的见解。有迟到、早退情况。能够主动参与课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课情况。参与课堂讨论，能够回答问题。迟到、早退、旷课情况较多。不能有效参与课堂讨论，回答不出所有问题。作业（10%）能够独立完成作业，作业质量优秀，能够灵活运用所学理论知识解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，作业质量较高，能够运用所学理论知识解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，作业质量符合要求，能够运用所学理论知识解决问题，并获得有效结论。基本能够独立完成作业，部分题目解答过程存在抄袭现象，运用所学理论知识解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，作业质量较差，有明显抄袭现象，不具备运用所学理论知识解决问题的能力。小论文（10%）能够正确回答提出的问题，分析问题全面准确，具有深度和创新性，格式符合要求。能够正确回答提出的问题，分析问题较全面正确，具有较好的深度和创新性，格式符合要求。基本正确回答提出的问题，分析问题较全面，具有一定的深度和创新性，格式较好地符合要求。基本能够回答提出的问题，基本能进行问题分析，格式基本符合要求。没有或基本没有回答提出的问题，不能分析问题，格式不符合要求。课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教学目标1熟练掌握能带理论、载流子的漂移和扩散等基础概念，基本原理，并能够熟练运用半导体物理的基本理论知识分析新能源器件的工作原理。根据实际需求合理选择半导体材料。准确掌握能带理论、载流子的漂移和扩散等基础概念，基本原理，并能够运用半导体物理的基本理论知识分析新能源器件的工作原理。根据实际需求合理选择半导体材料。掌握能带理论、载流子的漂移和扩散等基础概念，基本原理，并能够运用半导体物理的基本理论知识分析新能源器件的工作原理。根据实际需求合理选择半导体材料。基本掌握能带理论、载流子的漂移和扩散等基础概念，基本原理，并能够运用半导体物理的基本理论知识分析新能源器件的工作原理。根据实际需求基本能够确定合适的半导体材料。不能掌握能带理论、载流子的漂移和扩散等概念，不能够运用半导体物理的基本理论知识分析新能源器件的工作原理。无法根据实际需求基本能够确定合适的半导体材料。教学目标2通过学习半导体材料中的杂质和缺陷基础概念，能够熟练分析材料的光电参数对器件性能的影响。熟练掌握平衡PN结、正向PN结和反向PN结的形成过程及其电学特性。通过学习半导体材料中的杂质和缺陷基础概念，能够准确分析材料的光电参数对器件性能的影响。准确掌握平衡PN结、正向PN结和反向PN结的形成过程及其电学特性。通过学习半导体材料中的杂质和缺陷基础概念，能够分析材料的光电参数对器件性能的影响。掌握平衡PN结、正向PN结和反向PN结的形成过程及其电学特性。通过学习半导体材料中的杂质和缺陷基础概念，基本能够分析材料的光电参数对器件性能的影响。基本掌握平衡PN结、正向PN结和反向PN结的形成过程及其电学特性。通过学习半导体材料中的杂质和缺陷基础概念，无法分析材料的光电参数对器件性能的影响。无法掌握平衡PN结、正向PN结和反向PN结的形成过程及其电学特性。教学目标3通过双极型晶体管和MOS场效应晶体管的学习，熟练掌握晶体管的结构、工作原理、及直流和交流特性，并熟练掌握载流子参与导电的过程。通过双极型晶体管和MOS场效应晶体管的学习，准确掌握晶体管的结构、工作原理、及直流和交流特性，并准确掌握载流子参与导电的过程。通过双极型晶体管和MOS场效应晶体管的学习，掌握晶体管的结构、工作原理、及直流和交流特性，并掌握载流子参与导电的过程。通过双极型晶体管和MOS场效应晶体管的学习，基本掌握晶体管的结构、工作原理、及直流和交流特性，并基本掌握载流子参与导电的过程。通过双极型晶体管和MOS场效应晶体管的学习，不能掌握晶体管的结构、工作原理、及直流和交流特性，无法掌握载流子参与导电的过程。七、教材、参考书目、重要文献以及课程网络资源建议教材：（1）裴素华主编.半导体物理与器件.机械工业出版社,2008主要参考书：（1）D.A.Neame主编.Semiconduc