Semiconductor Physics and Devices
课程编码：12330540 学分： 课程类别： 专业基础课
计划学时： 48 其中讲课： 48 实验或实践： 0 上机：0
适用专业：IC设计、电信
参考书目：
D. A. Neamen，《Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles》，清华出版社，2003
R. T. Pierret著，黄如等译，《半导体器件基础》，电子工业出版社，2004
刘恩科、朱秉升、罗晋生等，《半导体物理学》，西安交通大学出版社，2004
黄昆、谢希德，《半导体物理学》，科学出版社，1958
曾谨言，《量子力学》，科学出版社，1981
谢希德、方俊鑫，《固体物理学》,上海科学技术出版社，1961
课程的教学目的与任务
本课程是集成电路专业的重要选修课之一。本课程较全面地论述了半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律，并在此基础上选择目前集成电路与系统的核心组成部分，如双极型晶体管（BJT）、金属－半导体场效应晶体管（MESFET）和ＭOS场效应晶体管（MOSFET）等，作为分析讨论的主要对象来介绍半导体器件基础。学习和掌握这些半导体物理和半导体器件的基本理论和分析方法，为学习诸如《集成电路工艺》、《集成电路设计》等后续课程打下基础，也为将来从事微电子学的研究以及现代VLSI与系统设计和制造工作打下坚实的理论基础。
课程的基本要求
本课程要求学生掌握半导体物理和半导体器件的基本概念和基本规律，对于基础理论，要求应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。学习过程中，注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实践的结合。本课程涉及的物理概念和基本原理较多，为了加深对它们的理解，在各章节里都给学生留有一些习题或思考题，这些题目有的还是基本内容的补充。也有少量的难度较大的题目，这样的问题有利于扩大知识面和培养独立思考能力。
各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）
第一章：固体晶格结构 建议学时：4学时
[教学目的与要求]
1、了解半导体材料的特性, 掌握固体的基本结构类型；
2、掌握描述空间晶格的物理参量, 了解原子价键类型；
3、了解固体中缺陷与杂质的类型；
4、了解半导体材料的生长过程。
[教学重点与难点] 固体的基本结构类型、空间晶格的物理参量
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：半导体材料
第二节：固体类型
第三节：空间晶格
第四节：原子价键
第五节：固体中的缺陷与杂质
第六节：半导体材料的生长
第二章： 量子力学初步 建议学时：4学时
[教学目的与要求] 1、掌握量子力学的基本原理，掌握波动方程及波函数的意义；
2、掌握薛定谔波动方程在自由电子、无限深势阱、阶跃势函数、矩形势垒中应用；
3、了解波动理论处理单电子原子模型。
[教学重点与难点] 量子力学的基本原理、波动方程及波函数、薛定谔波动方程
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节： 量子力学的基本原理
第二节： 薛定谔波动方程
第三节: 薛定谔波动方程的应用
第四节: 原子波动理论的延伸
第三章：固体量子理论初步 建议学时：4学时
[教学目的与要求] 1、掌握能带结构的基本特点，掌握固体中电的传导过程；
2、掌握能带结构的三维扩展，掌握电子的态密度分布；
3、掌握费密-狄拉克分布和玻耳兹曼分布。
[教学重点与难点] 能带结构、固体中电的传导过程、能带结构的三维扩展，掌握电子的态密度分布、费密-狄拉克分布和玻耳兹曼分布
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：允带与禁带格
第二节：固体中电的传导
第三节：三维扩展
第四节：状态密度函数
第五节：统计力学
第四章：平衡半导体 建议学时：6学时
[教学目的与要求] 1、掌握本征载流字电子和空穴的平衡分布；
2、掌握掺杂原子的作用，掌握非本征载流字电子和空穴的平衡分布；
3、掌握完全电离和束缚态，掌握补偿半导体平衡电子和空穴浓度；
4、掌握费密能级随掺杂浓度和温度的变化。
[教学重点与难点] 本征、非本征载流字电子和空穴的平衡分布、掺杂、补偿半导体平衡电子和空穴浓度汽车漂移教学、费密能级随掺杂浓度和温度的变化
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：半导体中的载流子
第二节：掺杂原子与能级
第三节：非本征半导体
第四节：施主与受主的统计学分布
第五节：电中性状态
第六节：费密能级的位置
第五章：载流子输运现象 建议学时：4学时
[教学目的与要求] 1、掌握载流子漂移运动的规律，掌握载流子扩散的规律；
2、了解杂质梯度分布规律，了解霍尔效应现象。
[教学重点与难点] 载流子漂移、扩散运动、杂质梯度分布、霍尔效应
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：载流子的漂移运动
第二节：载流子扩散
第三节：杂质梯度分布
第四节：霍尔效应
第六章：非平衡过剩载流子 建议学时：6学时
[教学目的与要求] 1、掌握载流子产生与复合的规律，掌握连续性方程与扩散方程；
2、掌握双极输运方程的推导与应用，掌握准费密能级的确定；
3、了解肖克莱-里德-霍尔复合理论及非本征掺杂和小注入的约束条件；
4、了解表面态与表面复合速。
[教学重点与难点] 载流子产生与复合、连续性方程与扩散方程、双极输运方程、准费密能级
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：载流子的产生与复合
第二节：过剩载流子的性质
第三节： 双极输运
第四节：准费密能级
第五节：过剩载流子的寿命
第六节：表面效应
第七章：PN结 建议学时：2学时
[教学目的与要求] 1、掌握PN结的基本结构，掌握内建电势差与空间电荷区宽度；
2、掌握势垒电容与单边突变结，了解线性缓变结与超突变结。
[教学重点与难点] PN结的基本结构、势垒电容与单边突变结
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：PN结的基本结构
第二节：零偏
第三节：反偏
第三节：反偏
第四节：非均匀掺杂PN结
第八章：PN结二极管 建议学时：4学时
[教学目的与要求] 1、掌握PN结内电荷流动的定性描述，掌握扩散电阻与等效电路；
2、掌握反偏产生电流正偏复合电流；
3、了解结击穿的物理图像，了解关瞬态与开瞬态，了解隧道二极管的基本特征。
[教学重点与难点] PN结内电荷流动的定性描述、扩散电阻与等效电路、反偏产生电流正偏复合电流
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：PN结电流
第二节：PN结的小信号模型
第三节：产生与复合电流
第三节：产生与复合电流
第四节：结击穿
第五节：电荷存储与二极管瞬态
第六节：隧道二极管
第九章：双极晶体管 建议学时：6学时
[教学目的与要求] 1、掌握双极晶体管的工作原理，掌握少子的分布规律；
2、了解有用因素及电流增益的数学表达式；
3、掌握基区宽度调制效应及大注入效应；
4、了解Ebers-Moll模型及Gummel-Poon模型；
5、了解延时因子的概念及晶体管截止频率。
[教学重点与难点] 双极晶体管的工作原理、少子的分布规律、基区宽度调制效应及大注入效应
[授 课 方 法] 课堂教学
[授 课 内 容]
第一节：双极晶体管的工作原理
第二节：少子的分布
第三节：低频共基极电流增益
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