半導體物理學教學大綱

1、半導體物理第 I 條 Semic on ductor Physics課程編號：042435課程性質：學科根底課適用專業(yè)：微電子學專業(yè)先修課程：固體物理，量子力學，統(tǒng)計物理后續(xù)課程：集成電路總學分：4其中實驗學分：0 教學目的與要求： 本課程是微電子學專業(yè)的主干課之一。通過對本課程的學習，掌握能帶理論和統(tǒng) 計物理的根本概念，以此為根底介紹半導體物理的根底知識以及相關器件的工作原理。從微觀角度 了解半導體中載流子的能量狀態(tài)、統(tǒng)計分布規(guī)律和散射及電導規(guī)律。了解半導體中非平衡載流子的 產(chǎn)生、復合、漂移和擴散等運動規(guī)律。了解摻雜和缺陷在半導體物理中的重要作用。半導體的特性、 半導體內部載流子的根本運動規(guī)

2、律，；了解半導體的光、電、磁、熱等物理效應。掌握半導體物理特 性的計算方法，掌握半導體器件的四大根本結構及其工作原理。教學內容與學時安排序 號章目名稱學時分配序 號章目名稱學時分配1半導體中的電子狀態(tài)68半導體外表與 MIS結構62半導體中雜質和缺陷能級49半導體異質結構43半導體中載流子的統(tǒng)計分布610半導體的光學性質44半導體的導電性611半導體的熱電性質45非平衡載流子612半導體的磁和壓阻效應46PN結613非晶態(tài)半導體47金屬和半導體的接觸4第1章：半導體中的電子狀態(tài)6學時第一節(jié)半導體的晶體結構和結合性質一、金剛石型結構和共價鍵二、閃鋅礦型結構和混合鍵三、纖鋅礦型結構第二節(jié) 半導體中

3、的電子狀態(tài)和能帶一、原子的能級和晶體的能帶二、半導體中的電子狀態(tài)和能帶三、導體、半導體、絕緣體的能帶第三節(jié)半導體中電子的運動和有效質量一、半導體中E k與k的關系二、半導體中電子的平均速度三、半導體中電子的加速度四、有效質量的意義第四節(jié) 本征半導體的導電機構 空穴 第五節(jié) 盤旋共振一、 k 空間等能面二、 盤旋共振第六節(jié)硅和鍺的導帶結構第七節(jié)盤旋共振第 2 章：半導體中雜質和缺陷能級 4 學時第一節(jié) 硅、鍺晶體中的雜質和缺陷能級一、替位式雜質 間隙式雜質二、施主雜質、施主能級三、受主雜質、受主能級四、淺能級雜質電離能的簡單計算五、雜質的補償?shù)淖饔昧?、深能級雜質第二節(jié) 川一V族化合物中的雜質能級

4、 第三節(jié) 缺陷、位錯能級一、點缺陷二、位錯第 3 章 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 6 學時 第一節(jié) 狀態(tài)密度一、k 空間中量子態(tài)的分布二、狀態(tài)密度第二節(jié) 費米能級和載流子的統(tǒng)計分布一、費米分布函數(shù)二、玻耳茲曼分布函數(shù)三、導帶中得電子濃度和價帶中的空穴濃度四、載流子的濃度乘積n0 p第三節(jié) 本征半導體的載流子濃度 第四節(jié) 雜質半導體的載流子濃度一、雜質能級上的電子和空穴二、n型半導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) 簡并半導體一、簡并半導體的載流子濃度二、簡并化條件三、低溫載流子凍析效應四、禁帶變窄效應第七節(jié) 電子占據(jù)雜質能級的概率一、求解統(tǒng)計分布第 4 章 半導體的導電性

5、6 學時 第一節(jié) 載流子的漂移運動和遷移率一、歐姆定律二、漂移速度和遷移率三、半導體的電導率和遷移率第二節(jié) 載流子的散射一、載流子散射的概念二、半導體的主要散射機構第三節(jié) 遷移率與雜質濃度和溫度的關系一、平均自由時間和散射概率的關系二、電導率、遷移率與平均自由時間的關系三、遷移率與雜質和溫度的關系第四節(jié) 電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系一、電阻率和雜質濃度的關系二、電阻率隨溫度的變化第五節(jié) 玻耳茲曼方程、電導率的統(tǒng)計理論一、玻耳茲曼方程二、弛豫時間近似三、弱電場近似下玻耳茲曼方程的解四、球形等能面半導體的電導率第六節(jié) 強電場下的效應、熱載流子一 、歐姆定律的偏移二 、平均漂移速度與電場強度的關

6、系第七節(jié) 多能谷散射 耿氏散射一、多能谷散射、 體內負微分電導二、高場疇區(qū)及耿氏振蕩第 5 章 非平衡載流子 6 學時第一節(jié) 非平衡載流子的注入與復合第二節(jié) 非平衡載流子的壽命第三節(jié) 準費米能級 第四節(jié) 復合理論一、直接復合二、間接復合三、外表復合四、俄歇復合第五節(jié) 缺陷效應第六節(jié) 載流子的擴散運動第七節(jié) 載流子的漂移運動、愛因斯坦關系式 第八節(jié) 連續(xù)性方程式第6章 pn 結 6學時 第一節(jié) pn 結及其能帶圖一、pn結的形成和雜質分布二、空間電荷區(qū)三、pn 結能帶圖四、pn 結接觸電勢差五、pn 結的載流子分布第二節(jié) pn 結電流電壓特性一、非平衡狀態(tài)下的 pn 結二、理想 pn 結模型及其

7、電流電壓方程三、影響 pn 結電流電壓特性偏離理想方程的各種因素第三節(jié) pn 結電容一、pn 結電容的來源二、突變結的勢壘電容三、線性緩變結的勢壘電容四、擴散電容第四節(jié) pn 結擊穿一、雪崩擊穿二、隧道擊穿齊納擊穿三、熱電擊穿第五節(jié) pn 結隧道效應第 7 章 非平衡載流子 4 學時 第一節(jié) 金屬半導體接觸及其能級圖一、金屬和半導體的功函數(shù)二、接觸電勢差三、外表態(tài)對接觸勢壘的影響第二節(jié) 金屬半導體接觸整流理論一、擴散理論二、熱電子發(fā)射理論三、鏡像力和隧道效應的影響四、肖特基勢壘二極管第三節(jié) 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸一、少數(shù)載流子的注入二、歐姆接觸第 8 章 半導體外表與 MIS 結構 6 學

8、時 第一節(jié) 外表態(tài)第二節(jié) 外表電場效應一、空間電荷層及外表勢二、外表空間電荷層的電場、電勢和電容第三節(jié) MIS 結構的電容電壓特性一、理想 MIS 結構的電容電壓特性二、 金屬與半導體功函數(shù)差對MIS結構C-V特性的影響三、絕緣層中電荷對 MIS結構C-V特性的影響第四節(jié) 硅二氧化硅的性質一、二氧化硅中的可動離子二、二氧化硅層中的固定外表電荷三、在硅二氧化硅界面處的快界面態(tài)四、二氧化硅中的陷阱電荷第五節(jié) 外表電導及遷移率一、外表電荷二、外表載流子的有效遷移率第六節(jié) 外表電場對 pn 結特性的影響一、外表電場作用下 pn 結的能帶圖二、外表電場作用下 pn 結的反向電流三、外表電場對 pn 結擊

9、穿特性的影響四、外表鈍化第 9 章 半導體異質結構 4 學時 第一節(jié) 半導體異質結的能帶圖一、半導體異質結的能帶圖二、半導體異質結的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度三、突變反型異質結的勢壘電容四、突變同型異質結的假設干公式第二節(jié) 半導體異質 pn 結的電流電壓特性及注入特性一、半導體異質 pn 結的電流電壓特性二、異質 pn 結的注入特性第三節(jié) 半導體異質結量子阱結構及其電子能態(tài)與特性一、半導體調制摻雜異質結構界面量子阱二、雙異質結間的單量子阱結構三、雙勢壘單量子阱結構及共振隧穿效應第四節(jié) 半導體應變異質結構一、應變異質結二、應變異質結構中應變層材料能帶的人工改性第五節(jié) 半導體超晶格第六節(jié) 半導體異質結

10、在光電子器件中的應用一、單異質結激光器二、雙異質結激光器三、大光學腔激光器第 10 章 非平衡載流子 4 學時第一節(jié) 半導體的光學性質和光電的發(fā)光現(xiàn)象一、折射率和吸收系數(shù)二、反射系數(shù)和透射系數(shù)第二節(jié) 半導體的光吸收一、本征吸收二、直接躍遷和間接躍遷三、其他吸收過程第三節(jié) 半導體的光電導一、附加電導率 二、定態(tài)光電導及其弛豫過程三、光電導靈敏度及光電導增益四、復合和陷阱效應對光電導的影響五、本征光電導的光譜分布六、雜質光電導第四節(jié) 半導體的光生伏特效應 一、 pn 結的光生伏特效應 二、光電池的電流電壓特性第五節(jié) 半導體發(fā)光 一、輻射躍遷 二、發(fā)光效率三、電致發(fā)光激發(fā)機構第六節(jié) 半導體激光 一、

11、自發(fā)輻射和受激輻射 二、分布反轉三、pn結激光器原理四、激光材料第 11 章 半導體的熱電性質 第一節(jié) 熱電效應的一般描述 一、塞貝克效應 二、鉑耳帖效應三、湯姆遜效應四、塞貝克系數(shù)、鉑耳帖系數(shù)和湯姆遜系數(shù)間的關系第二節(jié) 半導體的溫差電動勢率 一、一種載流子的絕對溫差電動勢率 二、兩種載流子的絕對溫差電動勢率三、兩種材料的溫差電動勢第三節(jié) 半導體的鉑耳帖效應 第四節(jié) 半導體的湯姆遜效應 第五節(jié) 半導體的熱導率 一、載流子對熱導率的奉獻 二、聲子對熱導率的奉獻第六節(jié) 半導體熱電效應的應用 第 12 半導體磁和壓阻效應 第一節(jié) 霍爾效應 一、一種載流子的霍爾效應 二、載流子在電磁場中的運動三、兩種

12、載流子的霍爾效應四、霍爾效應的應用第二節(jié) 磁阻效應一、物理磁阻效應二、幾何磁阻效應三、磁阻效應的應用第三節(jié) 磁光效應一、朗道 landau 能級4 學時4 學時二、帶間磁光吸收第四節(jié) 量子化霍爾效應 第五節(jié) 熱磁效應 一、愛廷豪森效應 二、能斯脫效應三、里紀勒杜克效應第六節(jié) 光磁電效應一、光擴散電勢差二、光磁電效應第七節(jié) 壓阻效應一、壓阻系數(shù)二、液體靜壓強作用下的效應三、單軸拉伸或壓縮下的效應四、壓阻效應的應用第 13 章 非晶態(tài)半導體 4 學時 第一節(jié) 非晶態(tài)半導體的結構 第二節(jié) 非晶態(tài)半導體中的電子態(tài) 一、無序體系中的電子態(tài)的定域化二、遷移率邊三、非晶態(tài)半導體的能帶模型四、非晶態(tài)半導體的化學鍵結構第三節(jié) 非晶態(tài)半導體