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1、 半导体物理与器件课程教学大纲 一、课程名称（中英文）中文名称：半导体物理与器件 英文名称：Semiconductor Physics and Devices 二、课程代码及性质 专业选修课程 三、学时与学分 总学时：40 学分：2.5 四、先修课程 量子力学、统计物理、固体物理、电路原理 五、授课对象 本课程面向功能材料专业学生开设 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂半导体物理与器件相关工程问题，获得有效结论。2、掌握半导体物理与器件相关问题的特征，以及
2、解决复杂工程问题的方法。3、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法；具备应用各类文献、信息及资料进行半导体物理与器件领域工程实践的能力。4、了解半导体物理与器件的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。5、了解半导体物理与器件领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。表 1 课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求及其指标点 本课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求 指标点 毕业要求 1：工程知识 能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。1.1 掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的数学基础知识。1.2 掌握了
3、用于解决功能材料领域复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。1.3 掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的工程力学基础知识。1.4 掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的工程检测与控制基础知识。1.5 系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决功能材料领域复杂问题。毕业要求 2：问题分析 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。2.1 能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。2.2 能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。课程目标 1 2.3
4、能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。2.4 能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。毕业要求 3：设计/开发解决方案 能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。3.1 了解功能材料与器件问题的特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。课程目标 2 3.2 在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂功能材料与器件问题的解决方案，具备设计（开发）满足特
5、定工程需求的功能材料系统、单元（部件）或工艺流程的能力。3.3 在设计（开发）过程中，具有追求功能材料领域复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。毕业要求 4：研究 能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.1 掌握功能材料的合成与制备技术的原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计制备功能材料的复杂实验、开展科学研究的能力。4.2 掌握功能材料与器件的分析测试技术的原理及主要特点，能够采用科学方法，正确构建并实施功能材料与器件测试的综合实验，得出正确结果的能力。4.3 能正确使用和
6、处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的功能材料和器件的测试结果进行正确分析的能力。4.4 了解功能材料制备与测试所需的常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。毕业要求 5：使用现代工具 能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工5.1 掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。课程目标 3 5.2 了解功能材料专业重要资料来源及获取方法。5.3 具备应用各类文献、信息及资料进行功能材料与器件领域的工程实践的能力。课程目标 3 毕业要求及其指标点 本课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求 指标点 具和信息技术工具，包括对
7、复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.4 掌握功能材料与器件领域复杂工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。毕业要求 6：工程与社会 能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程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。6.1 了解与功能材料相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。6.2 了解功能材料专业的特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价各种功能材料制备与表征方案的优劣。6.3 能正确认识功能材料的制备和加工中的各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能
8、够承担的相应工程和社会责任。毕业要求 7：环境和可持续发展 能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。7.1 了解功能材料专业的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。课程目标 4 7.2 能正确理解和评价功能材料领域复杂问题的实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。7.3 在解决功能材料领域复杂的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。毕业要求 8：职业规范 具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。8.1 具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影
9、响。8.2 了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。8.3 在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工程师的职业道德 8.4 具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。毕业要求 9：个人和团队 能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。9.1 具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。9.2 具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。9.3 能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。毕业要求 10：沟通 能够就复杂工
10、程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。10.1 较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。10.2 了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。课程目标 5 10.3 能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。毕业要求及其指标点 本课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求 指标点 毕业要求 11：项目管理 理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科
11、环境中应用。11.1 了解电子及材料工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。11.2 具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。11.3 具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。毕业要求 12：终身学习 具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。12.2 能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。12.3 能够适应社会进步与发展，与时代同步。七、教学重点与难点 课程重点：（1）掌握能带理论以及从能带理论的角度
12、分析半导体的导电机制；熟悉半导体中电子的状态及其运动规律；熟悉实际半导体中的杂质和缺陷的种类、性质及其作用；掌握并且会计算热平衡状态下载流子的浓度问题以及非平衡载流子的概念、产生及其随时间的演化规律（寿命问题）；掌握载流子的几种输运机制。（2）理解和熟悉 PN 结及其能带图；掌握 PN 结的电流-电压特性以及电容-电压特性；熟悉 PN 结的三种击穿机理；理解和掌握 PN 结二极管的工作原理。（3）在对 PN 结二极管工作原理分析的基础上，学会将此分析进行合理的拓宽，即从单结/两端二极管发展到双结/三端晶体管；掌握双极型晶体管（BJT）的基本概念、符号的定义、工作原理的定性分析以及关键的关系表达
13、式等。（4）系统地了解和掌握 MOSFET 的基本工作原理与物理机制；掌握MOSFET 器件的主要结构形式、工作特性和有关的物理概念；熟悉 MOSFET 的电容-电压特性、伏-安特性及其交流效应，并能掌握主要参数和特性的分析与计算方法；了解半导体器件制备的方法、过程及几个器件制备的实例。（5）重点学习的章节内容包括：第一章“半导体材料的基本性质”（8 学时）、第二章“PN 结机理与特性”（8 学时）、第三章“双极型晶体管”（10 学时）、第四章“MOS 场效应晶体管”（10 学时）。课程难点：（1）通过本课程的学习，掌握与半导体相关的基本物理概念和基本规律 以及几种常见半导体器件的基本概念、工
14、作原理及特性分析。（2）对于基础理论，能应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。在学习的过程中，提高分析和解决实际问题的能力，注重理论与实践结合，为今后进一步深入学习和研究半导体科学打下良好的基础。八、教学方法与手段 教学方法：（1）在课堂讲授中，教师全面而又有所侧重地阐述各章节的主要教学内容。教学课件的内容安排将与教科书中的内容相配合，力图起到提纲挈领的作用。（2）每一次课后，学生温习自学教科书上的相关内容，并结合文献检索与资料查询，对所学内容加以拓展和巩固。（3）适当安排讨论课。讨论课有利于提高学生的主体意识和对课堂的参与度，并能加强学生之间以及师生之间的交流互动，从而能够强化教学效
15、果。教学手段：多媒体幻灯片放映，结合黑板板书。九、教学内容与学时安排（1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表 2 所示。表 2 基本教学内容与学时安排 序号 课程内容 课堂（学习、讨论）学时 课外（准备、复试、实践）学时 1 半导体材料的基本性质 8 8 2 PN 结机理与特性 8 8 3 双极型晶体管 10 10 4 MOS 场效应晶体管 10 10 5 半导体器件制备技术 4 4（2）具体内容 各章节的具体内容如下：第一章 半导体材料的基本性质（8 学时）1.1 半导体与基本晶体结构 1.2 半导体的能带 1.3 本征半导体与本征载流子浓度 1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度
16、 1.5 非平衡载流子 1.6 载流子的漂移运动 1.7 载流子的扩散运动 第二章 PN 结机理与特性（8 学时）2.1 平衡 PN 结的机理与特性 2.2 正向 PN 结机理与特性 2.3 反向 PN 结机理与特性 2.4 PN 结空间电荷区的电场、电位分布和宽度 2.5 PN 结击穿机理与击穿特性 2.6 PN 结的电容特性 2.7 晶体二极管特性与设计考虑 第三章 双极型晶体管（10 学时）3.1 晶体管的结构与工作原理 3.2 晶体管的电流放大特性 3.3 晶体管的直流特性曲线 3.4 晶体管的反向电流与击穿电压 3.5 晶体管的频率特性 3.6 晶体管的功率特性 3.7 晶体管的开关
17、特性 3.8 晶闸管 第四章 MOS 场效应晶体管（10 学时）4.1 MOS 结构与基本性质 4.2 MOS 场效应晶体管的工作原理与基本特性 4.3 MOS 场效应晶体管的阈值电压 4.4 MOS 场效应晶体管的直流伏安特性 4.5 MOS 场效应晶体管的频率特性 4.6 MOS 场效应晶体管的开关特性 4.7 MOS 场效应晶体管的温度特性 4.8 MOS 场效应晶体管短沟道效应 第五章 半导体器件制备技术（4 学时）5.1 晶体生长与外延 5.2 硅的热氧化 5.3 光刻与刻蚀技术 5.4 半导体中的杂质掺杂 5.5 介质薄膜化学气相沉积技术 5.6 金属薄膜的物理气相沉积技术 5.7
18、 制备半导体器件工艺流程（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求 思考题（课后作业）：第一章思考题：1、综述半导体材料的基本特性及 Si、GaAs 的晶格结构和特征。2、画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能作出定性解释。3、以硅为例，简述半导体能带的形成过程。4、证明本征半导体的本征费米能级Ei位于禁带中央。5、简述迁移率、扩散长度的物理意义。6、求室温下掺磷为 1017/cm3的 N+型硅的电阻率与电导率。第二章思考题：1、简述 PN 结空间电荷区的形成过程和动态平衡过程。2、画出平衡 PN 结，正向 PN 结与反向 PN 结的能带图，并进行比较。3、简述正、反向 PN
19、 结的电流转换和传输机理。4、推导线性缓变结空间电荷区电场分布及其宽度的表达式，并画图示意。5、什么叫 PN 结的电容效应、势垒电容和扩散电容？6、什么叫二极管的反向恢复过程和反向恢复时间？提高二极管开关速度的途径有哪些？7、计算一硅 PN 结在 300 K 时的内建电场，NA=1018cm-3，ND=1015cm-3。第三章思考题：1、画出 PNP 晶体管在平衡和有源工作模式下的能带图和少子分布示意图。2、画出正偏置的 NPN 晶体管载流子输运过程示意图，并解释电流传输和转换机理。3、画出晶体管共基极、共发射极直流输入、输出特性曲线，并讨论它们之间的异同。4、晶体管的反向电流 ICBO、IE
20、BO、ICEO是如何定义的？写出 ICEO与 ICBO之间的关系式并加以讨论。5、画出晶体管共基极高频等效电路图和共发射极高频等效电路图。6、简要叙述大注入效应、基区扩展效应、发射极电流集边效应的机理。7、解释晶体管的饱和状态、截止状态、临界饱和以及深饱和的物理含义。8、画出晶体管饱和态时的载流子分布，并简述超量存储电荷的消失过程。9、分别画出 NPN 晶体管小注入和大注入时基区少子分布图，简述两者的区别与原因。第四章思考题：1、试画出 UG=0 时，P 衬底的 SiO2栅极的 MOS 二极管能带图。2、试画出 P 型衬底的理想 MOS 二极管不同偏压下对应载流子积累、耗尽及强反型的能带图及电
21、荷分布示意图。3、试画出 SiO2-Si 系统的电荷分布图。4、N 沟和 P 沟 MOS 场效应晶体管有什么不同？概述其基本工作原理。5、MOS 场效应晶体管的阈值电压 UT受哪些因素的影响？其中最主要的是哪个？6、MOS 场效应晶体管的输出特性曲线可分为哪几个区？每个区所对应的工作状态是什么？7、MOS 场效应晶体管跨导的物理意义是什么？8、短沟道效应对 MOS 场效应晶体管特性产生什么影响？9、定性说明在什么情况下 MOS 场效应晶体管会出现短沟道效应？第五章思考题：1、在利用柴可拉斯基法所生长的晶体中掺入硼原子，为何在尾端的硼原子浓度会比籽晶端的浓度高？2、简述热氧化形成 SiO2的机理
22、和制备 SiO2的方法。3、试比较湿法化学腐蚀和干法刻蚀的优缺点。4、画出离子注入系统示意图，并结合图简述离子注入机理。5、解释为何一般淀积多晶硅薄膜的温度普遍较低，大约在 600-650 之间。6、简述硅平面工艺的过程和各个工序的意义。讨论（思考题及作业）要求：每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式完成一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按 20%计入课程总成绩）。十、教材及参考书 教材：半导体物理与器件，裴素华等编著，机械工业出版社，2008 年。参考书：1.Semiconductor Physics and Devices，D.A.Neamen 著，赵毅强等译，电子
23、工业出版社，2005 年。2.半导体物理学，刘恩科、朱秉升、罗晋生编著，电子工业出版社，2011 年。3、半导体物理学，黄昆、谢希德著，科学出版社，2015 年。十一、课程成绩评定与记载 1、课程考核及评价细则 课程考核及评价细则，详见表 3。表 3 课程考核及评价细则 成绩组成 考核/评价环节 分值 考核/评价细则 对应的教学目标 平时成绩 30%上课表现 10 根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按 10%计入课程总成绩。1、2、3、4、5 平时作业 20 根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按 20%计入课程总成绩。1、2、3、4、5 考试成绩 70%考 试 的 卷面分数 70 主要考核对于半导体物理与器件的基本概念、工作原理及特性的掌握以及对于该领域的技术前沿和发展趋势的了解，以卷面成绩的 70%计入课程总成绩。1、2、3、4、5 2、终结性考试形式：闭卷考试。卷面成绩的 70%计入课程总成绩。撰稿：半导体物理与器件课程组 审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会