半导体物理学教学大纲

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
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、
k 空间中量子态的分布
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
p
n 0
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。