一、課程說明

（一）課程名稱：《半導(dǎo)體物理學(xué)》

??????所屬專業(yè)：物理學(xué)（電子材料和器件工程方向）

??????課程性質(zhì)：專業(yè)課

??????學(xué)????分：4學(xué)分

（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)：

????《半導(dǎo)體物理學(xué)》是物理學(xué)專業(yè)（電子材料和器件工程方向）本科生的一門必修課程。通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理學(xué)中的基本概念、基本理論和基本規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生分析和應(yīng)用半導(dǎo)體各種物理效應(yīng)解決實際問題的能力，同時為后繼課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

本課程的任務(wù)是從微觀上解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的宏觀物理現(xiàn)象，研究并揭示微觀機理；重點學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)及載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中載流子的輸運理論及相關(guān)規(guī)律；學(xué)習(xí)載流子在輸運過程中所發(fā)生的宏觀物理現(xiàn)象；學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)及其表面、界面問題。

（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接：

???本課程的先修課程包括熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、量子力學(xué)和固體物理學(xué)，學(xué)生應(yīng)掌握這些先修課程中必要的知識。通過本課程的學(xué)習(xí)為后繼《半導(dǎo)體器件》、《晶體管原理》等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（四）教材與主要參考書：

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)（第7版）［M］. 北京：電子工業(yè)出版社. 2011.

［2］黃昆,謝希德. 半導(dǎo)體物理學(xué)［M］. 北京：科學(xué)出版社. 2012.

［3］葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)（第2版）［M］. 上冊. 北京：高等教育出版社. 2007.

［4］S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.), Wiley, New York, 2006.

二、課程內(nèi)容與安排

第一章??半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

第一節(jié)?半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)

第二節(jié)?半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

第三節(jié)?半導(dǎo)體中電子的運動??有效質(zhì)量

第四節(jié)?本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)??空穴

第五節(jié)?回旋共振

第六節(jié)?硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)

第七節(jié)?III-V族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

第八節(jié)?II-VI族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

第九節(jié)?Si1-xGex合金的能帶

第十節(jié)?寬禁帶半導(dǎo)體材料

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

????課堂講授，大約8-10學(xué)時。限于學(xué)時，第8-10節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章將先修課程《固體物理學(xué)》中所學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)、單電子近似和能帶的知識應(yīng)用到半導(dǎo)體中，要求深入理解并重點掌握半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（導(dǎo)帶、價帶、禁帶及其寬度）；掌握有效質(zhì)量、空穴的概念以及硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)；了解回旋共振實驗的目的、意義和原理。

本章的重點包括單電子近似，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶、價帶、禁帶及其寬度，有效質(zhì)量，空穴，硅、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)。難點為能帶論，硅、砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)，有效質(zhì)量。

第二章??半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級

第一節(jié)?硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級

第二節(jié)?III-V族化合物中的雜質(zhì)能級

第三節(jié)?氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質(zhì)能級

第四節(jié)?缺陷、位錯能級

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約3-4學(xué)時。限于學(xué)時，第3節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要介紹在常見半導(dǎo)體的禁帶中引入雜質(zhì)和缺陷能級的實驗觀測結(jié)果。要求學(xué)生根據(jù)所引入的雜質(zhì)能級情況，理解雜質(zhì)的性質(zhì)和作用，分清淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)；重點掌握施主雜質(zhì)和n型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)和p型半導(dǎo)體的概念；掌握雜質(zhì)電離、電離能、雜質(zhì)補償、雜質(zhì)濃度的概念，了解缺陷、位錯能級的特點和作用。

本章的重點包括施主雜質(zhì)和施主能級，受主雜質(zhì)和受主能級，淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體，雜質(zhì)補償作用等。難點為雜質(zhì)能級，雜質(zhì)電離過程。

第三章??半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布

第一節(jié)?狀態(tài)密度

第二節(jié)?費米能級和載流子的統(tǒng)計分布

第三節(jié)?本征半導(dǎo)體的載流子濃度

第四節(jié)?雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度

第五節(jié)?一般情況下的載流子統(tǒng)計分布

第六節(jié)?簡并半導(dǎo)體

第七節(jié)?電子占據(jù)雜質(zhì)能級的概率

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約8-10學(xué)時。限于學(xué)時，第7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度的變化規(guī)律，解決如何計算一定溫度下半導(dǎo)體中熱平衡載流子濃度的問題。通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握狀態(tài)密度、費米分布和玻爾茲曼分布、費米能級、導(dǎo)帶和價帶有效狀態(tài)密度的概念；重點掌握應(yīng)用電中性條件和電中性方程，推導(dǎo)本征半導(dǎo)體的載流子濃度，計算在各種不同雜質(zhì)濃度和溫度下雜質(zhì)半導(dǎo)體的的費米能級位置和載流子濃度；掌握非簡并半導(dǎo)體和簡并半導(dǎo)體的概念以及簡并化條件。

本章重點包括波矢空間的量子態(tài)分布、半導(dǎo)體導(dǎo)帶底、價帶頂附近的狀態(tài)密度計算，費米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及其物理意義，本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計算。難點為半導(dǎo)體導(dǎo)帶底、價帶頂附近的狀態(tài)密度計算，費米能級和載流子的統(tǒng)計分布，雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計算。

第四章??半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

第一節(jié)?載流子的漂移運動和遷移率

第二節(jié)?載流子的散射

第三節(jié)?遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系

第四節(jié)?電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系

第五節(jié)?玻耳茲曼方程、電導(dǎo)率的統(tǒng)計理論

第六節(jié)?強電場下的效應(yīng)、熱載流子

第七節(jié)?多能谷散射、耿氏效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約7-8學(xué)時。限于學(xué)時，第5節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論載流子在外加電場作用下的漂移運動，討論半導(dǎo)體的遷移率、電導(dǎo)率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律。要求重點掌握遷移率的概念；掌握電離雜質(zhì)散射、晶格振動散射的機理、散射幾率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系；掌握遷移率、電導(dǎo)率（電阻率）與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系；了解強電場效應(yīng)以及砷化鎵的負微分電導(dǎo)、耿氏效應(yīng)。

本章重點包括電導(dǎo)率、遷移率概念及相互關(guān)系，遷移率、電阻率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律，強電場效應(yīng)。難點為載流子的散射機構(gòu)，電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系，強電場效應(yīng)。

第五章??非平衡載流子

第一節(jié)?非平衡載流子的注入與復(fù)合

第二節(jié)?非平衡載流子的壽命

第三節(jié)?準(zhǔn)費米能級

第四節(jié)?復(fù)合理論

第五節(jié)?陷阱效應(yīng)

第六節(jié)?載流子的擴散運動

第七節(jié)?載流子的漂移運動，愛因斯坦關(guān)系式

第八節(jié)?連續(xù)性方程式

第九節(jié)?硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約10學(xué)時。限于學(xué)時，第9節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合及其運動規(guī)律。通過學(xué)習(xí)，要求掌握非平衡載流子的產(chǎn)生、壽命、復(fù)合及其復(fù)合機構(gòu)，準(zhǔn)費米能級，陷阱效應(yīng)，載流子的漂移和擴散等概念；掌握非平衡載流子的復(fù)合理論；了解愛因斯坦關(guān)系；理解并靈活應(yīng)用電流密度方程和連續(xù)性方程。

本章重點包括非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合，非平衡載流子壽命，載流子的擴散和漂移運動，連續(xù)性方程運用等。難點為復(fù)合理論，愛因斯坦關(guān)系，連續(xù)性方程的應(yīng)用。

第六章 ?pn結(jié)

第一節(jié)?pn結(jié)及其能帶圖

第二節(jié)?pn結(jié)電流電壓特性

第三節(jié)?pn結(jié)電容

第四節(jié)?pn結(jié)擊穿

第五節(jié)?pn結(jié)隧道效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約6-7學(xué)時。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論pn結(jié)的性質(zhì)。通過學(xué)習(xí)要求掌握pn結(jié)的物理特性、能帶結(jié)構(gòu)以及接觸電勢差的計算；掌握I-V特性、結(jié)電容的推導(dǎo)；了解pn結(jié)的擊穿機制和隧道效應(yīng)。

本章重點包括空間電荷區(qū)，pn結(jié)接觸電勢差，載流子分布，I-V特性，結(jié)電容，擊穿機制，隧道效應(yīng)等。難點為I-V特性，結(jié)電容。

第七章??金屬和半導(dǎo)體的接觸

第一節(jié)?金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖

第二節(jié)?金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

第三節(jié)?少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約3-4學(xué)時。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論金屬半導(dǎo)體接觸。通過本章學(xué)習(xí)，要求掌握理想和實際的金-半接觸的能帶圖；對其電流傳輸理論的幾種模型的建立、表達式的推導(dǎo)和應(yīng)用有所了解；掌握實現(xiàn)良好歐姆接觸和整流接觸的原理和方法。

本章的重點包括金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過程分析及簡圖畫法。難點為金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過程分析，熱電子發(fā)射理論。

第八章??半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)

第一節(jié)?表面態(tài)

第二節(jié)?表面電場效應(yīng)

第三節(jié)?MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性

第四節(jié)?硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)

第五節(jié)?表面電導(dǎo)及遷移率

第六節(jié)?表面電場對pn結(jié)特性的影響

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約4學(xué)時。限于學(xué)時，第5、6節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論半導(dǎo)體的表面現(xiàn)象及其相關(guān)的理論，側(cè)重于實際的半導(dǎo)體表面。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解表面狀態(tài)；掌握理想MIS結(jié)構(gòu)的表面電場效應(yīng)、電容電壓特性；學(xué)會對實際MIS結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的各種情況進行分析；掌握如何用C-V法來研究半導(dǎo)體的表面狀況；了解Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)。

本章的重點包括半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)，MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性。難點為Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)。

第九章??半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

第一節(jié)?半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖

第二節(jié)?半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性

第三節(jié)?半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)與特性

第四節(jié)?半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)

第五節(jié)?GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

第六節(jié)?半導(dǎo)體超晶格

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約5-6學(xué)時。限于學(xué)時，第4-5節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

????本章主要討論半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、異質(zhì)pn結(jié)的I-V特性與注入特性及各種半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)等。通過學(xué)習(xí)要求學(xué)生重點掌握各種理想異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)及其畫法；了解異質(zhì)pn結(jié)的I-V特性和注入特性；了解異質(zhì)結(jié)幾種電流傳輸模型和重要應(yīng)用；了解異質(zhì)結(jié)的調(diào)制摻雜、高遷移率特性、二維電子氣、應(yīng)變異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體量子阱和超晶格在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。

????本章的重點是理想異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)及其畫法，半導(dǎo)體量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)的特性及其在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。難點為異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫法。

第十章??半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象

第一節(jié)?半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)

第二節(jié)?半導(dǎo)體的光吸收

第三節(jié)?半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

第四節(jié)?半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)

第五節(jié)?半導(dǎo)體發(fā)光

第六節(jié)?半導(dǎo)體激光

第七節(jié)?半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約7-8學(xué)時。限于學(xué)時，第6、7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

????本章主要討論光和半導(dǎo)體相互作用的一般規(guī)律，重點討論光的吸收、光電導(dǎo)和發(fā)光等效應(yīng)。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生重點掌握半導(dǎo)體的光吸收和光電導(dǎo)特性；掌握光生伏特效應(yīng)和太陽電池、半導(dǎo)體發(fā)光和LED的機理及其應(yīng)用；了解各種光敏器件和半導(dǎo)體激光器等。

????本章的重點包括半導(dǎo)體的光吸收及發(fā)光現(xiàn)象，半導(dǎo)體光電導(dǎo)，光生伏特效應(yīng)，半導(dǎo)體激光等。難點為光電導(dǎo)效應(yīng)，電致發(fā)光機構(gòu)。

?

第十一章 ?半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)

第一節(jié)?熱電效應(yīng)的一般描述

第二節(jié)?半導(dǎo)體的溫差電動勢率

第三節(jié)?半導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)

第四節(jié)?半導(dǎo)體的湯姆遜效應(yīng)

第五節(jié)?半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

第六節(jié)?半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的應(yīng)用

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

限于學(xué)時，本章可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

????本章主要討論由溫度梯度及電流同時存在時引起的現(xiàn)象，介紹產(chǎn)生這些現(xiàn)象的物理機理。通過學(xué)習(xí)，要求了解半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)的種類、應(yīng)用和物理機制；掌握半導(dǎo)體溫差電動勢率的計算和影響因素。

????本章的重點包括塞貝克效應(yīng)，珀爾帖效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)，開耳芬關(guān)系，溫差電動勢率和熱導(dǎo)率。難點為溫差電動勢率。

第十二章??半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)

第一節(jié)?霍耳效應(yīng)

第二節(jié)?磁阻效應(yīng)

第三節(jié)?磁光效應(yīng)

第四節(jié)?量子化霍耳效應(yīng)

第五節(jié)?熱磁效應(yīng)

第六節(jié)?光磁電效應(yīng)

第七節(jié)?壓阻效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

課堂講授，大約3學(xué)時。限于學(xué)時，第3-7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

????本章扼要講述半導(dǎo)體在磁場中發(fā)生的各種效應(yīng)以及對半導(dǎo)體施加壓力時產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)。通過學(xué)習(xí)，要求掌握半導(dǎo)體霍耳效應(yīng)物理機制和應(yīng)用；了解磁阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)、量子化霍耳效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、光磁電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)等。

????本章重點包括霍耳效應(yīng)，磁阻效應(yīng)，熱磁效應(yīng)，光磁電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)。難點為量子化霍耳效應(yīng)。

第十三章 ?非晶態(tài)半導(dǎo)體

第一節(jié)?非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

第二節(jié)?非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)

第三節(jié)?非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)

第四節(jié)?非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)

第五節(jié)?非晶態(tài)半導(dǎo)體中的光學(xué)性質(zhì)

第六節(jié)?a-Si:H的pn結(jié)與金-半接觸特性

（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

限于學(xué)時，本章可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

????本章主要討論非晶態(tài)半導(dǎo)體的基本特性。通過學(xué)習(xí)要求了解非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)的特征，理解遷移率邊、帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)的物理意義；掌握非晶態(tài)半導(dǎo)體光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的特點以及應(yīng)用。

????本章的重點包括非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，遷移率邊，帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)，非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制和光電導(dǎo)，SW效應(yīng)等。難點為非晶態(tài)半導(dǎo)體的遷移率邊，帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)。

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