《半导体物理》课程教学大纲

《半导体物理》课程教学大纲课程名称：半导体物理编号：F047091652英文名称：ThePhysicsofSemiconductors学时：56学时 学分：3.5学分开课学期：第3学期适用专业：光电、应物专业课程类别：理论课课程性质：选修课程先修课程：量子力学、固体物理、大学物理（1）、大学物理（2）一、课程的性质及任务《半导体物理》是面向应用物理学专业所开设的一门选修课课。本课程是一门研究半导体材料和器件物理性质的课程。它的任务是让学生掌握半导体材料和器件的基本概念、物理原理、性质以及应用。课程内容包括半导体材料的结构、能带理论、载流子运动、掺杂、PN结、二极管、场效应管等半导体器件的物理原理和工作原理。本课程的任务是使学生牢固掌握半导体物理的基础知识，深人理解半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程。学生还需要掌握如何应用半导体物理知识解决实际问题。例如，如何设计和优化半导体器件的性能，如何分析半导体器件的失效机制和寿命等。总之，这门课程旨在培养学生对半导体物理的深入理解，为他们日后从事半导体材料、器件的研究和开发提供坚实的理论基础和实践技能。依据河北工程大学应用物理学专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：掌握必要的数学、自然科学等基础知识，具备对应用物理学专业领域相关工程问题的建模和求解的能力。（毕业要求指标1.1）掌握应用物理学专业基础知识，并能将其用于解决光信息处理、光电检测和处理工程领域的综合性工程实践和复杂工程问题。(毕业要求指标1.4）掌握应用物理学专业所需的专业基础知识和基本原理，具备选择合适工程技术，分析具体问题的能力。（毕业要求指标2.2）具有爱国主义情操，尊重生命，关爱他人，主张正义，具有人文知识、思辨能力、处世能力和科学精神。（毕业要求指标3.1）能针对个人或职业发展的需求，具备自主学习新理论、新技术、新方法和自我完善的能力，可持续发展的潜力。（毕业要求指标3.9）二、课程目标与要求2.1课程目标了解半导体物理学的基础知识：学生将学习半导体物理学的基础概念、性质和现象，包括半导体的能带结构、载流子输运、掺杂、PN结和场效应晶体管等。熟悉半导体器件的工作原理：学生将学习半导体器件的工作原理，包括二极管、场效应晶体管、双极型晶体管等器件的结构和特点，以及其在实际电路中的应用。了解半导体器件的发展和应用：学生将了解半导体器件的发展历程和应用领域，包括计算机、通信、光电子和能源等方面的应用。能够分析和解决半导体器件的实际问题：学生将通过课程设计和实验，掌握半导体器件的设计、制备、测试和分析技能，能够解决实际应用中遇到的问题。培养科研能力和创新意识：学生将通过参与课程设计和实验，培养科研能力和创新意识，为今后的学术和工程实践奠定基础。通过学习《半导体物理》这门课程，学生将全面了解半导体物理学的基本知识和应用，为今后从事半导体器件设计、制备和应用等领域打下坚实的基础。

半导体物理课程教学大纲数理科学与工程学院本科教学大纲PAGE16PAGE1992.2课程目标与毕业要求对应关系课程目标毕业要求二级指标毕业要求123456●●1.1掌握必要的数学、自然科学等基础知识，具备对应用物理学专业相关工程问题的建模和求解的能力。1.具备必要的数学和自然科学基础，能够运用这些知识进行半导体物理器件的建模、分析和解决。●1.4掌握应用物理学专业基础知识，并能将其用于解决光信息处理、光电检测和处理工程领域的综合性工程实践和复杂工程问题。2.能够应用所学习到的半导体物理的基本原理和相关知识，并通过查阅文献、规范、标准对光电检测和处理工程问题进行识别、分析、表达，并获得有效结论。●2.2掌握应用物理学专业领域所需的专业基础知识和基本原理，具备选择合适工程技术，分析具体问题的能力。3.能够掌握半导体物理基本的概念和理论知识，熟悉各种半导体器件的工作原理，并将其应用的不同的工作领域中。●3.1具有爱国主义情操，尊重生命，关爱他人，主张正义，具有人文知识、思辨能力、处世能力和科学精神。4.通过学习相应的理论知识，学生具备关爱他人的能力，具有人文知识、思辨能力、处世能力和科学精神。●3.9能针对个人或职业发展的需求，具备自主学习新理论、新技术、新方法和自我完善的能力，可持续发展的潜力。5.能够运用所学的基本理论知识和专业技术方法对后续工作中遇到的问题进行研究，包括设计实验、分析与数据解释，并能通过信息综合获得合理有效的结论。2.3课程目标与培养环节对应矩阵序号课程目标理论教学课内实验课后作业1了解半导体物理学的基础知识：学生将学习半导体物理学的基础概念、性质和现象，包括半导体的能带结构、载流子输运、掺杂、PN结和场效应晶体管等。HL2熟悉半导体器件的工作原理：学生将学习半导体器件的工作原理，包括二极管、场效应晶体管、双极型晶体管等器件的结构和特点，以及其在实际电路中的应用。HL3了解半导体器件的发展和应用：学生将了解半导体器件的发展历程和应用领域，包括计算机、通信、光电子和能源等方面的应用。HL4能够分析和解决半导体器件的实际问题：学生将通过课程设计和实验，掌握半导体器件的设计、制备、测试和分析技能，能够解决实际应用中遇到的问题。HL5培养科研能力和创新意识：学生将通过参与课程设计和实验，培养科研能力和创新意识，为今后的学术和工程实践奠定基础。H6通过学习《半导体物理》这门课程，学生将全面了解半导体物理学的基本知识和应用，为今后从事半导体器件设计、制备和应用等领域打下坚实的基础。HL注：H表示该能力的在此环节重点培养；M表示该能力在此环节有应用要求；L表示该能力在此环节有所涉及。单片机测控技术课程教学大纲单片机测控技术课程教学大纲PAGE18PAGE2212.4目标达成度的评价课程目标1、2、3、4主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课堂测试、课后作业和期末考试中概念性、原理性题目进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标5主要通过理论教学环节、课后作业进行培养。课程目标6主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有要求。主要通过课堂测试、课后作业中通过相应题目进行考核，在答案中体现为能给出符合要求的器件原理和结构图。目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对原理的分析、对方法的总结以及理论体系的完整建立；采用讲授、示范、实验、讨论等多种教学方法，注重激发学生的学习兴趣，提高其自主学习和探究能力。同时，教师应该鼓励学生积极参与课堂互动，进行课堂讨论和案例分析，以提高学生的思维能力和解决问题的能力。应该配备完善的实验室设备和实验指导书，为学生提供充足的实验机会，通过实验让学生直观地感受半导体材料的物理特性和电子运动规律，同时培养学生的动手实验能力和数据处理能力。课程强调学生的自主学习，强调通过自学的方式消化、吸收课程的庞大知识量，并在此基础上举一反三。采用现代教育技术手段，如多媒体课件、网络课堂等，丰富课程内容，提高教学效果。此外，教师还可以引导学生进行文献检索和阅读，帮助学生拓展知识面和深入了解前沿研究进展。四、课程的基本内容与教学要求第1章半导体中的电子状态[教学目的与要求]：在半导体中，电子的能量状态由能带表示。能带是一系列允许电子占据的能量状态，包括价带和导带。费米能级是半导体中电子的能量分布的基准水平，它分割了价带和导带，位于这两者之间。在半导体中加入掺杂物可以改变其导电性质，例如n型半导体中掺入施主杂质可以增加自由电子浓度，p型半导体中掺入受主杂质可以增加空穴浓度。电子在半导体中的行为受到许多因素的影响，如温度、施主/受主浓度、晶格缺陷等。电子的输运性质是半导体器件的关键因素之一，因此对于半导体中电子状态的理解是半导体器件设计和制造的基础。教学要求：1、掌握半导体的晶格结构与结合性质：重点掌握半导体硅、锗（金刚石型）、半导体的闪锌矿型、半导体的纤锌矿型的晶体结构及其特点。2、掌握半导体中的电子状态和导体、半导体、绝缘体的能带特征。3、理解半导体中的电子运动的特征和有效质量的含义。4、理解本征半导体的导电机构和空穴的本质。5、了解回旋共振的特点：k空同等能面、回旋共振的特点。6、了解锗、硅的能带结构。[本章主要内容]：1、半导体的晶格结构与结合性质2、半导体中的电子状态和能带3、半导体中的电子运动、有效质量4、本征半导体的导电机构、空穴5、回旋共振6、锗、硅的能带结构[本章重点]：半导体硅、锗（金刚石型）、半导体的闪锌矿型、半导体的纤锌矿型的晶体结构及其特点。半导体中的电子状态和导体、半导体、绝缘体的能带特征。[本章难点]：半导体的晶格结构与结合性质。第2章半导体中的杂质和缺陷能级[教学目的与要求]：半导体是一类具有介于导体和绝缘体之间电阻特性的材料。在半导体中，电子状态的理解是非常重要的，因为它们决定了半导体的导电性质。了解半导体中电子状态的基本概念，包括能带、费米能级、掺杂等。掌握半导体中电子状态的基本特征，如电子的能量、自旋、动量等。理解电子在半导体中的行为，如电子的输运、激发等。教学要求：掌握锗、硅晶体中的杂质类型、施主杂质和受主杂质的能级、杂质的补偿作用、浅能杂质电离能的简单计算、深能级杂质的特征。理解三五族化合物半导体的杂质能级。[本章主要内容]：1.锗、硅晶体中的杂质能级2.三五族化合物半导体的杂质能级3.缺陷、位错能級（自学）[本章重点]：1.锗、硅晶体中的杂质类型、施主杂质和受主杂质得的能级、杂质的补偿作用、浅能杂质电离能的简单计算、深能级杂质的特征。[本章难点]：无第3章半导体中载流子的统计分布[教学目的与要求]：半导体中载流子的统计分布是描述半导体中载流子（电子和空穴）分布情况的数学模型。半导体物理学中，载流子统计分布通常使用费米-狄拉克分布和玻尔兹曼分布进行建模。学习半导体物理学时，理解载流子的统计分布是非常重要的，因为这对于解释半导体中的电学性质和器件特性非常关键。理解半导体物理学还有助于设计和开发各种电子器件，例如晶体管、二极管、光电二极管、太阳能电池等。教学要求：1、掌握状态密度的概念和计算方法。2、掌握费米能级和载流子的统计分布规律，能计算一定温度下本征和杂质半导体中热平衡载流子浓度，并掌握半导体中载流子浓度随温度变化的规律。3、掌握本征半导体的载流子浓度的特性和计算方法。4、掌握杂质半导体的载流子浓度的特性和计算方法。5、了解一般情况下的载流子的统计分布6、掌握简并半导体的基本特征[本章主要内容]：状态密度费米能级和载流子的统计分布本征半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一般情況下的載流子的统计分布简并半导体[本章重点]：状态密度的定义及其推导过程。费米能级的物理意义。载流子的统计分布。[本章难点]：状态密度的定义。第4章半导体的导电性[教学目的与要求]：半导体的导电性是指半导体材料的电导率（导电性）特性。与导体（例如铜和银）和绝缘体（例如橡胶和玻璃）不同，半导体具有介于导体和绝缘体之间的电导率，即在某些情况下，半导体具有导电性，而在其他情况下则不具备。学习半导体物理学时，理解半导体的导电性是非常重要的，因为它是制造各种半导体器件的基础。例如，控制半导体的导电性可以制造各种电子器件，如晶体管、集成电路、LED、光电二极管、太阳能电池等。此外，理解半导体的导电性也是了解半导体材料的基本特性和物理原理的基础。教学要求：掌握载流子漂移运动和迁移率的本质特性和规律。掌握载流子散射的概念和机制。掌握迁移率与杂质浓度和温度的关系掌握半导体的电阻率与杂质浓度和温度关系。了解强电场下欧姆定律的偏离效应。[本章主要内容]：1.载流子的漂移运动和迁移率2.载流子的散射3.迁移率与杂质浓度和温度的关系4.电阻率及其与杂质浓度和温度的关系5.玻尔兹曼方程、电导的统计理论（自学）6.强电场效应，热载流子7.多能谷散射，耿氏效应（自学）[本章重点]：载流子的漂移运动和迁移率。迁移率与杂质浓度和温度的关系。[本章难点]：载流子的漂移运动和迁移率。第5章非平衡载流子[教学目的与要求]：非平衡载流子是指在半导体中，由于外部刺激（例如光、电场、热梯度等）导致载流子分布不均匀的情况。在平衡状态下，半导体中的载流子分布服从热平衡分布，而在非平衡状态下，由于外部刺激，载流子的分布就不再服从热平衡分布。非平衡载流子的产生和传输是半导体材料中许多现代电子器件操作的基础。例如，在太阳能电池中，通过将光辐射转换为电子-空穴对来产生电流；在LED中，电子和空穴重新组合并辐射出光；在晶体管中，非平衡载流子的控制使得可以通过外部电压控制电子的流动，从而实现电子放大和开关。学习非平衡载流子的行为是非常重要的，因为它有助于了解半导体中载流子如何在各种情况下传输和响应外部刺激。同时，了解非平衡载流子的物理行为对于设计和优化各种半导体器件也至关重要。教学要求1.理解非平衡载流子的注入与复合的物理本质。2.掌握非平衡载流子寿命的计算方法。3.了解准费米能级4.了解四大复合理论（直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合）5.掌握载流子扩散运动的规律6.掌握载流子的漂移运动规律，爱因斯坦关系式[本章主要内容]：1.非平衡載流子的注入与复合2.非平衡載流子的寿命3.准费米能级4.复合理论5.陷阱效应（自学）6.载流子的扩散运动7.载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式8.连续性方程（自学）9.硅的少数载流子寿命与扩散长度（自学）[本章重点]：非平衡載流子的注人与复合机制。非平衡載流子的寿命。准费米能级的物理意义。载流子的扩散运动和漂移运动。[本章难点]：非平衡载流子的产生和复合。第6章pn结[教学目的与要求]：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它是由一块p型半导体和一块n型半导体接触而成的。PN结的形成是通过在单晶硅中掺杂不同类型的杂质来实现的，其中p型半导体被掺杂了三价杂质（如硼），n型半导体被掺杂了五价杂质（如磷）。当p型半导体和n型半导体结合时，两种半导体之间形成一个电势垒，称为PN结。学习PN结对于理解半导体器件的基本原理和性质非常重要。掌握PN结的基本原理和特性可以帮助人们更好地理解半导体器件的工作原理，并且可以为半导体器件的设计和优化提供基础。同时，PN结也是其他更复杂半导体器件的基础，例如双极性晶体管、MOSFET、LED等。教学要求：1.理解并掌握pn结的基本概念：形成方法和物理特性、能带图的特点。2.掌握p-n结的电流电压特性。3.掌握p-n结电容的来源、类型和特点。4.掌握p-n结击穿的三种类型和特性。5.掌握p-n结隧道效应的来源和特点。[本章主要内容]：1.p-n结及其能带图2.p-n结电流电压3.p-n结电容4.p-n结击穿5.p-n结隧道效应[本章重点]：p-n结及其能带图。p-n结电流电压。p-n结击穿。[本章难点]：p-n结电流电压。第7章金属和半导体的接触[教学目的与要求]：金属和半导体的接触是半导体器件中非常重要的一种结构。当金属和半导体相接触时，由于金属和半导体的电子亲和力和禁带宽度等物理特性的不同，会形成一个电势垒，称为金属-半导体接触。这种接触是半导体器件中电子传输和电流控制的关键部分。学习金属和半导体的接触对于理解半导体器件的基本原理和性质非常重要。掌握金属和半导体接触的基本原理和特性可以帮助人们更好地理解半导体器件的工作原理，并且可以为半导体器件的设计和优化提供基础。同时，金属和半导体接触也是其他更复杂半导体器件的基础，例如场效应晶体管、MOSFET、CMOS等。教学要求：掌握金属和半导体的功函数的含义，理解接触电势差的来源和特点，了解表面态对接触电势的影响。3.掌握金属半导体接触整流理论(扩散理论、热电子发射理论）。4.掌握少数载流子的注入特征、欧姆接触的本质。[本章主要内容]：1.金属半导体接触及其能级图2.金属和半导体接触的整流理论3.少数载流子的注入和欧姆接触[本章重点]：1.金属半导体的接触。2.整流理论的概念。[本章难点]：1.金属半导体的接触。第8章半导体表面与MIS结构[教学目的与要求]：半导体表面和MIS结构是半导体物理学中的重要概念。MIS结构是一种电容器结构，由金属、绝缘体和半导体组成，通常用于制造场效应晶体管（FET）。这个结构中的金属层充当电极，绝缘体层用于隔离金属和半导体，半导体表面则与绝缘体形成接触。教学目的是让学生了解半导体表面的物理特性、表面状态和电学特性，以及MIS结构的原理、特性和制备方法。学生应该理解半导体表面的化学反应、缺陷和表面态密度的影响，以及MIS结构中的载流子注入、电场分布和电容特性。学习半导体表面和MIS结构对于理解半导体器件的工作原理和性能有很大的帮助，是半导体物理学和电子工程等领域中必不可少的基础知识。教学要求：1.理解表面态，2.掌握表面电场效应。3.掌握MIS结构的C-V曲线特性。4.了解硅-二氧化硅系统的性质。[本章主要内容]：1.表面态2.表面电场效应3.MIS结构的电容-电压特性4.硅-二氧化硅系统的性质5.表面电导及迁移率（自学）[本章重点]：1.表面态。2.表面电场效应。[本章难点]：1.MIS结构的电容-电压特性。第9章半导体异质结构[教学目的与要求]：半导体异质结构是由两种或更多种不同材料组成的结构。在半导体异质结构中，材料的能带结构、晶格常数和热膨胀系数等物理性质都不同，这导致了一系列特殊的物理现象和应用。常见的半导体异质结构包括异质界面、量子阱、量子井等。在半导体异质结构中，电子和空穴的能带结构会发生变化，产生能级分裂和限制效应，使得电子和空穴的运动表现出量子力学效应，例如量子束缚和隧穿效应。这些现象使得半导体异质结构具有优异的光电性能和电学性能，如高效的光电转换、高频率的微波器件等。此外，半导体异质结构还具有狭带隙和宽带隙两种材料的优点，可以在晶体中精确地调控能带结构，实现多种器件的设计和应用。学习半导体异质结构对于理解半导体器件的特殊性质和应用非常重要。掌握半导体异质结构的基本原理和特性可以帮助人们更好地理解各种新型半导体器件的工作原理，并且可以为新型器件的设计和优化提供基础。同时，半导体异质结构也是研究量子物理和量子器件的重要领域，涉及到很多基础科学和技术问题，例如量子隧穿、量子计算、量子通信等。教学要求：1.掌握半导体异质结及其能带图的特点，2.掌握半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性。3.掌握半导体异质结量子阱结构的基本特性。4.了解半导体超晶格的结构和基本性质。[本章主要内容]：1.半导体异质结及其能带图2.半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性3.半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性4.半导体应变异质结构（自学）5.GaN基半导体应变异质量结构（自学）6.半导体超晶格[本章重点]：1.半导体异质结及其能带图。2.半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性。[本章难点]：1.半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性。第10章半导体的光学性质和光电与发光现象[教学目的与要求]：半导体的光学性质和光电与发光现象是半导体器件中非常重要的一部分。半导体器件可以通过光电和发光现象实现信息的传输、存储和显示等功能。了解半导体的光学性质和光电与发光现象，可以帮助我们更好地理解半导体器件的工作原理，并且可以为半导体器件的设计和优化提供基础。半导体器件中常见的光电和发光现象包括LED、激光器、光电二极管、太阳能电池等。在这些器件中，半导体的光学性质和光电与发光现象都起着至关重要的作用。了解这些现象的基本原理和特性可以帮助我们更好地理解器件的工作原理，并且可以为器件的设计和应用提供基础。同时，这些现象也是研究新型半导体器件和光学器件的重要领域，涉及到很多基础科学和技术问题，例如半导体材料的光学性质、激发态的性质、光子与电子之间的相互作用等。教学要求：1.掌握半导体四个光学常数的概念。2.掌握半导体中光吸收的物理过程。3.掌握半导体光电导的过程及其研究方法。4.了解半导体的光生伏特效应及其特性。5.理解半导体发光的机理。6.了解半导体激光的工作原理。[本章主要内容]：1.半导体的光学常数2.半导体的光吸收3.半导体的光电导4.半导体的光生伏特效应5.半导体发光6.半导体激光[本章重点]：1.半导体的光吸收概念。2.半导体的光生伏特效应定义。[本章难点]：无课内实验无六、课程学时分配教学课次教学内容教学环节与计划时数教学环节计划时数1半导体的晶格结构与结合性质；半导体中的电子状态和能带理论课22半导体中的电子运动；有效质量理论课23本征半导体的导电机构、空穴；锗、硅的能带结构理论课2４锗、硅晶体中的杂质能级；三五族化合物半导体的杂质能级理论课25状态密度；费米能级和载流子的统计分布理论课26本征半导体的载流子浓度；杂质半导体的载流子浓度理论课27一般情況下的載流子的统计分布；简并半导体理论课28载流子的漂移运动和迁移率；载流子的散射；迁移率与杂质浓度和温度的关系理论课29电阻率及其与杂质浓度和温度的关系；强电场效应；热载流子理论课210非平衡載流子的注人与复合；非平衡載流子的寿命理论课211准费米能级；载流子的扩散运动理论课212载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式理论课213p-n结及其能带图理论课214p-n结电流电压理论课215p-n结电容；p-n结击穿理论课216p-n结隧道效应理论课217金属半导体接触及其能级图理论课218金属和半导体接触的整流理论理论课219少数载流子的注入和欧姆接触理论课220表面态；表面电场效应理论课221MIS结构的电容-电压特性；硅-二氧化硅系统的性质理论课222半导体异质结及其能带图；半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性理论课223半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性；半导体超晶格理论课224半导体的光学常数；半导体的光吸收理论课225半导体的光电导；半导体的光生伏特效应；理论课226半导体发光；半导体激光理论课227总结与复习理论课228习题课理论课2七、课程考核与成绩评定7.1考核方式考核环节包括课程学习过程考核和期末考试，其中课程过程考核占总成绩的30%，分别由课堂表现、课后作业进行评定；期末考试成绩占总成绩的70%。各环节的比重如下。考核环节比重合计过程考核（平时成绩）课堂表现15%30%作业15%期末成绩期末测试70%70%总计100%100%7.2考核内容及要求本课程为考试课。考核内容及分值分配如下。考核方式考核内容分值课程目标总分值期末考试70%半导体中的电子状态2～4目标1、2、3100分半导体中的杂质和缺陷能级2～5目标1、2、3半导体中载流子的统计分布5～15目标1、2、3半导体的导