《半导体物理学》教学大纲.doc

半导体物理第 I 条 Semiconductor Physics 课程编号：042435课程性质：学科基础课适用专业：微电子学专业先修课程：固体物理，量子力学，统计物理后续课程：集成电路总学分： 4 其中实验学分：0教学目的与要求：本课程是微电子学专业的主干课之一通过对本课程的学习，掌握能带理论和统计物理的基本概念，以此为基础介绍半导体物理的基础知识以及相关器件的工作原理从微观角度了解半导体中载流子的能量状态、统计分布规律和散射及电导规律了解半导体中非平衡载流子的产生、复合、漂移和扩散等运动规律了解掺杂和缺陷在半导体物理中的重要作用半导体的特性、半导体内部载流子的基本运动规律， ；了解半导体的光、电、磁、热等物理效应掌握半导体物理特性的计算方法，掌握半导体器件的四大基本结构及其工作原理教学内容与学时安排序号 章目名称学时分配序号 章目名称学时分配1 半导体中的电子状态 6 8 半导体表面与 MIS 结构 62 半导体中杂质和缺陷能级 4 9 半导体异质结构 43 半导体中载流子的统计分布 6 10 半导体的光学性质 44 半导体的导电性 6 11 半导体的热电性质 45 非平衡载流子 6 12 半导体的磁和压阻效应 46 PN 结 6 13 非晶态半导体 47 金属和半导体的接触 4第 1 章：半导体中的电子状态（6 学时）第一节 半导体的晶体结构和结合性质一、金刚石型结构和共价键二、闪锌矿型结构和混合键三、纤锌矿型结构第二节 半导体中的电子状态和能带一、原子的能级和晶体的能带二、半导体中的电子状态和能带三、导体、半导体、绝缘体的能带第三节 半导体中电子的运动和有效质量一、半导体中 E（k）与 k 的关系二、半导体中电子的平均速度三、半导体中电子的加速度四、有效质量的意义第四节 本征半导体的导电机构 空穴第五节 回旋共振一、 k 空间等能面二、 回旋共振第六节 硅和锗的导带结构第七节 回旋共振第 2 章：半导体中杂质和缺陷能级（4 学时）第一节 硅、锗晶体中的杂质和缺陷能级一、替位式杂质 间隙式杂质二、施主杂质、施主能级三、受主杂质、受主能级四、浅能级杂质电离能的简单计算五、杂质的补偿的作用六、深能级杂质第二节 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级第三节 缺陷、位错能级一、点缺陷二、位错第 3 章 半导体中载流子的统计分布（6 学时）第一节 状态密度一、 空间中量子态的分布k二、状态密度第二节 费米能级和载流子的统计分布一、费米分布函数二、玻耳兹曼分布函数三、导带中得电子浓度和价带中的空穴浓度四、载流子的浓度乘积 pn0第三节 本征半导体的载流子浓度第四节 杂质半导体的载流子浓度一、杂质能级上的电子和空穴二、n 型半导体的载流子浓度第五节 一般情况下的载流子统计分布第六节 简并半导体一、简并半导体的载流子浓度二、简并化条件三、低温载流子冻析效应四、禁带变窄效应第七节 电子占据杂质能级的概率一、求解统计分布第 4 章 半导体的导电性（6 学时）第一节 载流子的漂移运动和迁移率一、欧姆定律二、漂移速度和迁移率三、半导体的电导率和迁移率第二节 载流子的散射一、载流子散射的概念二、半导体的主要散射机构第三节 迁移率与杂质浓度和温度的关系一、平均自由时间和散射概率的关系二、电导率、迁移率与平均自由时间的关系三、迁移率与杂质和温度的关系第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系一、电阻率和杂质浓度的关系二、电阻率随温度的变化第五节 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论一、玻耳兹曼方程二、弛豫时间近似三、弱电场近似下玻耳兹曼方程的解四、球形等能面半导体的电导率第六节 强电场下的效应、热载流子一 、欧姆定律的偏移二 、平均漂移速度与电场强度的关系第七节 多能谷散射 耿氏散射一、 多能谷散射、 体内负微分电导二、 高场畴区及耿氏振荡第 5 章 非平衡载流子（6 学时）第一节 非平衡载流子的注入与复合第二节 非平衡载流子的寿命第三节 准费米能级第四节 复合理论一、直接复合二、间接复合三、表面复合四、俄歇复合第五节 缺陷效应第六节 载流子的扩散运动第七节 载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式第八节 连续性方程式第 6 章 pn 结（6 学时）第一节 pn 结及其能带图一、pn 结的形成和杂质分布二、空间电荷区三、pn 结能带图四、pn 结接触电势差五、pn 结的载流子分布第二节 pn 结电流电压特性一、非平衡状态下的 pn 结二、理想 pn 结模型及其电流电压方程三、影响 pn 结电流电压特性偏离理想方程的各种因素第三节 pn 结电容一、pn 结电容的来源二、突变结的势垒电容三、线性缓变结的势垒电容四、扩散电容第四节 pn 结击穿一、雪崩击穿二、隧道击穿（齐纳击穿）三、热电击穿第五节 pn 结隧道效应第 7 章 非平衡载流子（4 学时）第一节 金属半导体接触及其能级图一、 金属和半导体的功函数二、 接触电势差三、 表面态对接触势垒的影响第二节 金属半导体接触整流理论一、扩散理论二、热电子发射理论三、镜像力和隧道效应的影响四、肖特基势垒二极管第三节 少数载流子的注入和欧姆接触一、少数载流子的注入二、欧姆接触第 8 章 半导体表面与 MIS 结构（6 学时）第一节 表面态第二节 表面电场效应一、空间电荷层及表面势二、表面空间电荷层的电场、电势和电容第三节 MIS 结构的电容－电压特性一、理想 MIS 结构的电容－电压特性二、金属与半导体功函数差对 MIS 结构 C-V 特性的影响三、绝缘层中电荷对 MIS 结构 C-V 特性的影响第四节 硅－二氧化硅的性质一、 二氧化硅中的可动离子二、 二氧化硅层中的固定表面电荷三、 在硅－二氧化硅界面处的快界面态四、 二氧化硅中的陷阱电荷第五节 表面电导及迁移率一、表面电荷二、表面载流子的有效迁移率第六节 表面电场对 pn 结特性的影响一、表面电场作用下 pn 结的能带图二、表面电场作用下 pn 结的反向电流三、表面电场对 pn 结击穿特性的影响四、表面钝化第 9 章 半导体异质结构（4 学时）第一节 半导体异质结的能带图一、半导体异质结的能带图二、半导体异质结的接触电势差及势垒区宽度三、突变反型异质结的势垒电容四、突变同型异质结的若干公式第二节 半导体异质 pn 结的电流电压特性及注入特性一、半导体异质 pn 结的电流－电压特性二、异质 pn 结的注入特性第三节 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性一、半导体调制掺杂异质结构界面量子阱二、双异质结间的单量子阱结构三、双势垒单量子阱结构及共振隧穿效应第四节 半导体应变异质结构一、应变异质结二、应变异质结构中应变层材料能带的人工改性第五节 半导体超晶格第六节 半导体异质结在光电子器件中的应用一、单异质结激光器二、双异质结激光器三、大光学腔激光器第 10 章 非平衡载流子（4 学时）第一节 半导体的光学性质和光电的发光现象一、折射率和吸收系数二、反射系数和透射系数第二节 半导体的光吸收一、本征吸收二、直接跃迁和间接跃迁三、其他吸收过程第三节 半导体的光电导一、附加电导率二、定态光电导及其弛豫过程三、光电导灵敏度及光电导增益四、复合和陷阱效应对光电导的影响五、本征光电导的光谱分布六、杂质光电导第四节 半导体的光生伏特效应一、pn 结的光生伏特效应二、光电池的电流电压特性第五节 半导体发光一、辐射跃迁二、发光效率三、电致发光激发机构第六节 半导体激光一、自发辐射和受激辐射二、分布反转三、pn 结激光器原理四、激光材料 第 11 章 半导体的热电性质（4 学时）第一节 热电效应的一般描述一、塞贝克效应二、铂耳帖效应三、汤姆逊效应四、塞贝克系数、铂耳帖系数和汤姆逊系数间的关系第二节 半导体的温差电动势率一、一种载流子的绝对温差电动势率二、两种载流子的绝对温差电动势率三、两种材料的温差电动势第三节 半导体的铂耳帖效应第四节 半导体的汤姆逊效应第五节 半导体的热导率一、载流子对热导率的贡献二、声子对热导率的贡献第六节 半导体热电效应的应用第 12 半导体磁和压阻效应（4 学时）第一节 霍尔效应一、一种载流子的霍尔效应二、载流子在电磁场中的运动三、两种载流子的霍尔效应四、霍尔效应的应用第二节 磁阻效应一、物理磁阻效应二、几何磁阻效应三、磁阻效应的应用第三节 磁光效应一、朗道（landau）能级二、带间磁光吸收 第四节 量子化霍尔效应第五节 热磁效应一、爱廷豪森效应二、能斯脱效应三、里纪－勒杜克效应第六节 光磁电效应一、光扩散电势差二、光磁电效应第七节 压阻效应一、压阻系数二、液体静压强作用下的效应三、单轴拉伸或压缩下的效应四、压阻效应的应用第 13 章 非晶态半导体（4 学时）第一节 非晶态半导体的结构第二节 非晶态半导体中的电子态一、无序体系中的电子态的定域化二、迁移率边三、非晶态半导体的能带模型四、非晶态半导体的化学键结构第三节 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应一、四面体结构非晶态半导体中的缺陷和隙态二、硫系非晶态半导体的缺陷与缺陷定域态三、Ⅳ族元素非晶态半导体的掺杂效应第四节 非晶态半导体中的电学性质一、非晶态半导体的导电机理二、非晶态半导体的漂移迁移率三、非晶态半导体的弥散输运过程第五节 非晶态半导体中的光学性质一、非晶态半导体的光吸收二、非晶态半导体的光电导第六节 a－SI：H 的 pn 结与金－半接触特性。