半导体材料与应用教学大纲.docx

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1、半导体材料与应用教学大纲一、课程介绍半导体材料与应用是无机非金属材料工程专业的选修课。通过本课程学习，使学生 掌握基本半导体物理知识以及半导体材料的基本概念、基本性质、加工方法，以及半导体材 料在电子科学与工程中的应用知识。本课程将锻炼学生收集工程知识和问题分析的能力，能 够提供材料设计/制备/测试相关解决方案，提升学术研究能力与终身学习技能。该课程强调 培养使用现代工具、沟通交流、辩证性思维等工程专业的基本素养，具有对多元文化的包容 心态和宽阔的国际化视野。特别是，培养学生对于复杂工程问题的思考和解决问题的能力， 为将来学生从事半导体材料科学研究和半导体应用产业等方面的工作打下基础。教学部分

2、共 含24个理论学时。IntroductionSemiconductor Materials and Applications is an optional course for students majoring in inorganic nonmetallic materials engineering. By studying this course, students will understand the basic principles of semiconductor physics and concepts of semiconductor materials, propert

3、ies, processing methods and applications related to electronic science and engineering. Students will be cultivated with the capability of collecting engineering knowledge and issue analysis, as well as the ability to offer solutions for material design/preparation/ characterization. This course wil

4、l help students to improve the capability of selfdevelopment in academic researches and skills for lifelong learning. This course emphasizes not only the essentials in the utilization of advanced tools, communications and dialectical thinking that are required by engineering majors, but also the inc

5、lusive attitude towards multiculturalism and wide international horizons. Particularly, this course aims at cultivating students to have the ability to analyze and solve complicated engineering issues, benefiting for their future careers in semiconductor material researches, application industries a

6、nd so on. The teaching part of this course includes 24 theoretical credit hours.课程基本信息 体器件的工作原理。第5章专题讨论分组PPT展示（2学时）5.1 调研半导体材料领域内的前沿动态5.2 针对某种（类）半导体材料或应用调研其行业标准、专利情况、环保健康、法律规章 等生产实际中会涉及到的其他领域内容（可多角度覆盖，也可单一角度深入展开）5.3 对调研内容进行总结归纳、结合工程管理和经济决策方面的考虑，对领域内目前存在 的问题提出改进设想或者对行业今后的发展进行展望。教学目标：引导学生积极探索和思考，通过分析和

7、探索工程问题的有效结论，将知识和方法 有机贯连，使得学生综合运用。组织方式则以学生为中心，激发学生主动学习和有效学习, 教学过程突出学生深入参与，养成批判性思维。课程内容及教学方式对课程目标的支撑关系序号课程内容教学方式支持 课程 目标1第0章绪论从宏观角度对课程和半导体材料 与应用领域进行介绍，以课堂讲 授为主1,2,3,4, 52第1章半导体物理基础1.1 半导体中的电子状态1.2 能带1.3 有效质量1.4 导带电子和价带空穴1.5 硅、错、神化镁的能带结构1.6 杂质和缺陷能级本章节主要介绍半导体材料的相 关基础知识，概念较多，以结合多 媒体的系统讲授为主，辅以随堂 测验、课堂提问和课

8、后作业来强 化学生对于知识点的掌握。1. 23第2章硅、错的化学制备与晶体生长2.1 硅和信的化学制备2.2 区熔提纯2.3 晶体生长以结合多媒体的系统讲授为主， 讲授的过程中引入一些领域内的 前沿信息介绍，激发学生兴趣；辅 以随堂测验和课堂提问对知识点1,2, 32.4 硅、楮晶体中的杂质和缺陷2.5 硅外延生长进行强化；同时还借助课后作业 的形式调动学生主观能动性，以 自主学习或小组学习的形式促进 学生自主查阅文献资料，对知识 进行拓展。4第3章化合物半导体与其他半导体材料3.1 IIIV族化合物半导体3.2 IIIV族化合物半导体的外延生长3.3 IIIV族多元化合物半导体3.4 IIV

9、I族化合物半导体3.5 其他半导体材料以结合多媒体的系统讲授为主， 讲授的过程中引入一些领域内的 前沿信息介绍，激发学生兴趣，辅 以随堂测验和课堂提问对知识点 进行强化；同时还借助课后作业 的形式调动学生主观能动性，以 自主学习或小组学习的形式促进 学生自主查阅文献资料，对知识 进行拓展。1,2, 35第4章 典型半导体器件及工作原理4.1 PN 结4.3 结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管4.4 金属氧化物半导体场效应晶体管4.5 半导体太阳能电池与光电二极管（光电探测器）4.6 发光二极管（LED）与半导体激光器以结合多媒体的系统讲授为主， 讲授的过程中引入一些领域内的 前沿信息介绍

10、，激发学生兴趣；辅 以随堂测验和课堂提问对知识点 进行强化；同时还借助课后作业 的形式调动学生主观能动性，以 自主学习或小组学习的形式促进 学生自主查阅文献资料，对知识 进行拓展。1,2, 36第5章专题讨论（Seminar）分组PPT展示5.1调研半导体材料领域内的前沿动 态、产业现状、国际发展趋势、研究热点 等。针对领域内的新产品、新工艺、新技 术和新设备等进行调研（可多角度覆盖， 也可单一角度深入展开）组织“专题讨论”小组活动，学生 可自行查阅资料，针对大家感兴 趣的材料工程领域的产业现状、 国际发展趋势、研究热点等进行 资料收集整理，展示领域内的新 产品、新工艺、新技术和新设备 等。可

11、以就实际或模拟应用场景 中的特定需求和特定条件，结合1,2,3,4, 5所学知识与文献调研，选择研究 路线，设计研究方案，并进行相关 分析讨论与展望。在课上进行讲 解展示，教师点评或分组互评。5.2对调研内容进行总结归纳、在考虑 多种因素的前提下，可以就实际或模拟应 用场景中的特定需求和特定条件，结合所 学知识与文献调研，选择研究路线，设计 研究方案，并进行相关分析讨论与展望。6、考核要求、考核方式及成绩评定标准(1)课程考核成绩目前由学期结业论文(4060%)和平时成绩(4060%)两部分组成。 平时成绩包括：课堂测验、课后作业、出勤、专题讨论等的相关成绩。(2)学期结业论文以撰写论文形式进

12、行，采用百分制记载，期末采用加权累计的方法计 分。具体评分标准在结课之前在课堂上告知所有学生或以文件形式发送给所有学生。(3)平时成绩评价，采用百分制记载，期末采用加权累计的方法计分。具体评分标准在 教学活动进行之前在课堂上告知所有学生或以文件形式发送给所有学生。(4)最终课程考核总评成绩采用百分制，满分100分，60分为及格。考核方式、内容、评分标准与课程目标的对应关系课程目标评价依据考核方式考核内容评分标准评价占比(%)CO1学期结业 论文论文使学生掌握半导体材料 的基本知识，建立起半 导体材料加工与半导体 器件的基本概念。按照提交论文与报 告的选题准确性与 重要性、基本概念 基本原理的准

13、确 度、内容丰富程 度、逻辑严谨性、 文字流畅程度、格 式是否工整等标准 进行评价40 80平时成绩课堂提问与随堂测验学生对半导体材料和半 导体器件的基本知识的 掌握程度回答问题的准确度520课后作业课后练习题（含客观题 和开放性主观题）1 .解题思路或公式推导 60%;2 .解题步骤或内容描述 25%;3 .答案正确5% ；4 .卷面工整5% ；5 .及时提交5%520C02学期结业 论文论文能够使用信息资源与专 业软件，如WebofSci. 等中外文数据库，流程 图（PowerPoint、ChemDraw）、数据管 理软件Origin及文献 管理软件Endnote等， 获取学科前沿资料。按

14、照提交论文中对 前沿数据与资料引 用的规范性、广泛 性、新颖性进行评 价。40 60平时成绩“专题讨 论”小组活动 （Seminar 报告）能够使用信息资源与专 业软件，如WebofSci. 等中外文数据库等对文 献进行充分调研,使用PowerPoint x ChemDraw、Origin 等 软件对流程图和数据图 等图表类信息进行处理。报告中展示的图表 是否充分，所展示 图表是否能准确表 达含义、是否规 范；文章引用是否 真实，格式是否正 确。40 60C03学期结业 论文论文使学生了解半导体材料 领域内的技术标准体 系、知识产权、产业政 策、法律法规以及领域论文中是否有半导 体材料领域内的

15、技 术标准体系、知识 产权、产业政策、100中国内外热点形势。法律法规以及领域 中国内外热点形势 等内容的介绍和讨 论，内容是否准确，是否贴切，逻 辑清楚，叙述准确C04学期结业论文论文对半导体制造行业发展 的现状及发展趋势的把 握。可以指出存在的问 题或对现有方案进行深 入分析。在考虑多方面 因素的前提下，结合实 际或模拟应用场景，选 择合适的路线，提出相 关设计方案，并多角度 进行效果评估和可行性 评估。选题认同度、方案 合理性与可行性、 方案论证的论据充 分程度、对设计原 理的阐述清晰度、 整体论述结构的完 整度4060平时成绩“专题讨 论”小组 活动（Seminar 报告）对半导体制造

16、行业发展 的现状及发展趋势的把 握。可以指出存在的问 题或对现有方案进行深 入分析。在考虑多方面 因素的前提下，结合实 际或模拟应用场景，选 择合适的路线，提出相 关设计方案，并多角度 进行效果评估和可行性 评估。考查时间控制、选 题认同度、方案合 理性与可行性、团 队合作、展示内 容、讲解效果40607、其他说明持续改进说明：本课程未来可根据实验室条件设立实验部分作为课程后续改进内容。目 前限于实验室条件，本实验课尚未开通。课程名称半导体材料与应用课程编码217英文名称Semiconductor materials and applications课程学时24课程学分1.5课程类别专业教育课

17、程课程性质选修课开课学期第7学期课内实验学 时0适用专业无机非金属材料工程专业开课单位无机非金属材料工程教研室选用教材杨树人、王宗昌、王兢编著，半导体材料（第三版）科学出版社出版，3.主要参考书孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著，半导体器件物理（第二版）科学出版 社出版，2.二、教学大纲1、课程目标CO1使得学生掌握半导体材料的基本知识，深入理解相关概念、原理、典型材料的构成和 性能，建立起半导体材料制备和加工的基本概念。对工艺流程中的关键因素和关键环节有清 晰的认识。能够运用材料科学和工程科学的基本原理和专业知识，并通过文献研究，识别、 推演、分析该类材料领域复杂工程问题，能利用其材料属性，并能够考

18、虑到多角度因素（科 技、经济、社会等），设计满足特定需求的无机非金属材料与工艺流程，能画出流程图，并 阐明其原理。（支撑GA2.1、3.1. 3.2）CO2能够使用信息资源与专业软件，如Web of Sci.等中外文数据库，流程图（PowerPoint. ChemDraw）.数据管理软件Origin及文献管理软件Endnote等，获取学科前沿资源。能够针 对无机非金属材料复杂工程问题，基于物理化学原理（电学、晶体学、结构学、热力学等多 学科方法），对专业问题进行调研，并能分析其局限性。（支撑GA2.3、GA5.2）CO3使学生了解半导体材料领域内的技术标准体系、知识产权、产业政策、法律法规以及

19、 领域中国内外热点形势。培养学生具备结合实际社会需求对半导体产品进行设计与选择的意 识，同时能够思考社会、健康、安全、法律以及文化等因素与半导体材料与器件的设计/加工 /测试过程之间的相互影响，通过调研举出实例。（支撑GA6.1）CO4通过学习半导体材料的理论知识，结合前沿领域信息收集整理，能够就复杂工程问题 进行剖析。能够以口头、文稿、图表等方式，讨论目前国内半导体制造行业发展的现状，展 示领域内的新产品、新工艺、新技术和新设备等。在考虑多方面因素的前提下，可以就实际 或模拟应用场景中的特定需求和特定条件，选择研究路线，设计研究方案，并进行相关分析 讨论。（支持GA4.2）教学目标与毕业要求

20、的对应关系表可覆盖的指标点毕业要求支撑的指标点课程目标支撑理由1234GA2 问题 分析指标点2.1能运用数学、自然科学和工程科 学的基本原理，识别和判断复杂 工程问题的关键坏书。通过课程内容的学习，使学 生能够掌握和运用半导体 材料中的数学、自然科学、 工程科学的基本原理,能够 识别和判断半导体材料构 建和优化中的关键环节。指标点2.3能认识到解决无机非金属材料的 复杂工程问题有多种方案可选 择，会通过文献研究寻求可替代 的解决方案，并运用基本原理，借 助文献研究分析过程的影响因 素，获得有效结论。q通过课程内容的学习，使学 生了解并能熟练掌握通过 文献调研对所需知识信息 的收集、阅读、分析

21、、提炼 以及总结的能力。GA3设计/开 发解决 方案指标点3.1掌握面向工程设计和产品开发全 周期全流程设计/开发解决方案的 基本方法与技术，了解影响设计 目标和技术方案的各种因素。通过课程内容的学习，使学 生理解相关的方法原理、工 艺流程中的核心技术以及 关键影响因素。指标点3.2能够设计满足特定需求的无机非 金属材料与工艺流程。通过课程内容的学习，使学 生对半导体材料的性质、制 备过程、器件设计及性能研 究后较为系统的了解，为设 计满足特定需求的无机非 金属材料与工艺流程奠定 基础。GA4研究指标点4.2能够针对无机非金属材料新产 品、新工艺、新技术和新设备的特 定需求和特定条件，选择研究

22、路 线，设计研究方案。通过小组学习和专题研讨， 对半导体材料新产品、新工 艺、新技术或新设备的特定 需求进行研究,对信息进行 汇总和整合,小组成员集思 广益,从而能选择或设计出 具有一定合理性的研究路 线和研究方案。GA5使用现代工具指标点5.2能够针对材料领域复杂工程问题 的特定需求，选择、使用、开发恰 当仪器、信息资源工程工具和专 业模拟软件，对复杂工程问题进 行分析、计算、设计、预测和模拟， 并能分析其局限性。通过课程教学过程中设置 的开放思考题、专题研讨、 结业论文以及未来设计的 实验课程，鼓励和锻炼学生 使用多种现代科研工具如 信息资源工具和专业模拟 软件等。结合课堂所学知识 与课后

23、自主获得的信息，对 半导体材料和器件领域内 的复杂工程问题解决方案 进行多角度的分析、设计、 计算、预测、模拟以及评估 优化。GA6指标点6.1借助课堂知识和文献信息工程与社会了解材料相关领域的技术标准体 系、知识产权、产业政策和法律法 规，理解不同社会文化对于工程 活动的影响。整合,考虑半导体材料与器 件领域的发展现状，了解相 关技术标准体系、知识产 权、产业政策和法律法规， 综合思考领域内的复杂工 程问题及其解决方案，多角 度评估问题解决方案对社 会、健康、安全、法律以及 文化的影响，并理解应承担 的责任。2、教学要求1）使得学生掌握半导体材料的基本知识，建立起半导体材料加工的基本概念。能

24、够运 用材料科学和工程科学的基本原理和专业知识，并通过文献研究，识别、推演、分析该类材 料领域复杂工程问题，能利用其材料属性，并能够考虑到多角度因素（经济、社会等），设 计满足特定需求的无机非金属材料与工艺流程,能画出流程图，并阐明其原理。（支撑GA2.1、 3.1. 3.2）2）能够使用信息资源与专业软件，如Web of Sci.等中外文数据库，流程图（PowerPoint. ChemDraw）.数据管理软件Origin及文献管理软件Endnote等，获取学科前沿资源。能够针 对无机非金属材料复杂工程问题，基于物理化学原理（电学、晶体学、结构学、热力学等多 学科方法），对专业问题进行调研，并

25、能分析其局限性。（支撑GA2.3、5.2）3）使学生了解半导体材料领域内的技术标准体系、知识产权、产业政策、法律法规以 及领域中国内外热点形势。培养学生具备结合实际社会需求对半导体产品进行设计与选择的 意识，同时能够思考社会、健康、安全、法律以及文化等因素与半导体材料与器件的设计/加 工/测试过程之间的相互影响，通过调研举出实例。（支撑GA6.1）4）通过学习半导体材料的理论知识，结合前沿领域信息收集整理，能够就复杂工程问 题进行剖析。能够以口头、文稿、图表等方式，讨论目前国内半导体制造行业发展的现状, 展示领域内的新产品、新工艺、新技术和新设备等。在考虑多方面因素的前提下，可以就实 际或模拟

26、应用场景中的特定需求和特定条件，选择研究路线，设计研究方案，并进行相关分 析讨论。（支撑GA4.2）5）（立德树人、课程思政）通过课程讲授，培养学生精益求精的科学素养。通过讲解不 同类型半导体材料问题的解决方式，培养学生锲而不舍的精神，建构普遍联系的知识体系。 通过学习半导体材料课程，引导学生思考我国半导体材料的发展问题，提升社会责任感、培 养爱国情怀。通过公开的评分标准和公平的成绩评定过程，培养学生的公平正义感。3、预备知识或先修课程要求本课程的授课对象为材料科学与技术类高年级本科生。本课程要求授课对象先修下列课 程：材料科学基础、材料工程基础、固体物理、结晶学与矿物学、无机材料物理 化学等

27、。4、教学方式本课程由理论课堂和专题讨论两部分组成。围绕课程目标，采用互动式、研究型教学, 引导学生强化对科学和工程原理的理解和运用，对基本原理和关键工艺环节进行掌握，内容 做到充实。引入半导体材料的前沿科研成果，设置学生主讲的Seminar等内容，题目自选, 内容在包含本课程的4个章节内容的前提下，充分调动学生的自主性，鼓励学生多角度调研 思考（包括材料工程管理及经济决策等方面）。具体上，比如将学生分成八组（Group）,每 组选择一个题目，进行查阅解读文献，并在Seminar课上，向大家展示，老师当场评分，并 引导学生积极探索和思考，通过分析和探索工程问题的有效结论，将知识和方法有机贯连,

28、 使得学生综合运用。组织方式则以学生为中心，激发学生主动学习和有效学习，教学过程突 出学生深入参与，养成批判性思维。5、课程教学内容及学时分配第0章半导体材料绪论（1学时）介绍半导体材料领域概论，向学生解读教学大纲，帮助学生理解课程目标（应掌握知识 与具备能力）及其达成途径（课堂授课、课程作业与课程实验），并帮助学生建立课程学习、 课程考核与各项能力达成之间的关系；引导学生在课程学习中自查学习行为，调整学习方法 并达成学习效果。第1章 半导体物理基础（6学时）1.1 半导体中的电子状态1.1.1 周期性势场1.1.2 周期性势场中电子的波函数及布洛赫定理1.1.3 周期性边界条件1.2 能带1

29、.3 有效质量1.4 导带电子和价带空穴1.4.1 金属、半导体和绝缘体的区别1.4.2 电子、空穴和载流子1.5 硅、褚、珅化镁的能带结构1.5.1 等能面1.5.2 能带图1.6 杂质和缺陷能级1.6.1 施主杂质和施主能级半导体（N型半导体）1.6.2 受主杂质和受主能级半导体（P型半导体）1.6.3 IIIV族化合物半导体中的杂质1.6.4 深能级1.6.5 缺陷能级教学目标：教学重点在于对半导体材料中的电子状态、能带结构、施主受主等基本物理概念 的理解和掌握，难点在于利用形象思维具化抽象的物理概念。第2章硅、楮的化学制备与晶体生长（5学时）2.1 硅和错的化学制备2.1.1 硅和楮的

30、物理化学性质2.1.2 高纯硅的制备2.1.3 褚的富集与提纯2.2 区熔提纯2.2.1 分凝现象与分凝系数2.2.2 区熔原理2.2.3 褚的区熔提纯2.3 晶体生长2.3.1 晶体生长理论基础2.3.2 熔体的晶体生长2.3.3 硅、褚单晶生长2.4 硅、褚晶体中的杂质和缺陷2.4.1 硅、褚晶体中杂质的性质2.4.2 硅、褚晶体的掺杂2.4.3 硅、褚单晶的位错2.4.4 硅单晶中的微缺陷2.5 硅外延生长2.5.1 外延生长概述2.5.2 硅衬底制备2.5.3 硅的气相外延生长2.5.4 硅外延电阻率的控制2.5.5 硅外延层的缺陷2.5.6 硅的异质外延教学目标：教学重点在于让学生掌

31、握高纯硅、褚的化学制备与提纯工艺、外延生长的原理与调控方法，难点在于让学生理解各种分离提纯工艺的工作原理。第3章化合物半导体与其他半导体材料(5学时)31mv族化合物半导体1.1.1 inv族化合物半导体的特性1.1.2 珅化钱单晶的生长方法1.1.3 珅化钱单晶中杂质的控制1.1.4 神化镶单晶的完整性1.1.5 其他IIIV族化合物的制备3.2 IIIV族化合物半导体的外延生长3.2.1 气相外延生长(VPE)3.2.2 金属有机物气相外延生长(MOVPE)323液相外延生长(LPE)3.2.4 分子束外延生长(MBE)3.2.5 化学束外延生长(CBE)3.2.6 其他外延生长技术3.3

32、 inv族多元化合物半导体3.3.1 异质结与晶格失配3.3.2 GaAlAs外延生长3.3.3 InGaN外延生长3.3.4 InGaAsP外延生长3.3.5 超晶格与量子阱3.4 IIVI族化合物半导体3.4.1 IIVI族化合物单晶材料的制备3.4.2 IIVI族化合物的点缺陷与自补偿现象3.4.3 IIVI族多元化合物材料3.4.4 IIVI族超晶格材料3.5 其他半导体材料351低维结构半导体材料3.5.1 氧化物半导体材料3.5.2 照明半导体材料3.5.3 窄带隙半导体材料3.5.4 黄铜矿型半导体材料3.5.5 非晶态半导体材料3.5.6 有机半导体材料教学目标：教学重点在于nw族，nvi族半导体、其他半导体材料的特性及生长制备方法。难点在于理解各种制备方法各自的优缺点与适用范围。第4章 典型半导体器件及工作原理（5学时）4.1 PN 结4.1.1 热平衡PN结4.1.2 加偏压的PN结4.1.3 理想PN结二极管4.2 双极结型晶体管4.3 结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管4.4 金属氧化物半导体场效应晶体管4.5 半导体太阳能电池与光电二极管（光电探测器）4.6 发光二极管（LED）与半导体激光器 教学目标：教学重点在于PN结、晶体管的工作原理，教学难点在于使得学生掌握典型半导