【正文】 力學(xué)》科學(xué)出版社注：；；3.“重點(diǎn)”、“難點(diǎn)”、“教學(xué)手段與方法”部分要盡量具體；：理論課、討論課、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)課、練習(xí)或習(xí)題課。授課類型：理論課 授課時(shí)間：2節(jié)授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）：第一章半導(dǎo)體的電子狀態(tài)——有效質(zhì)量——空穴本授課單元教學(xué)目標(biāo)或要求：理解有效質(zhì)量和空穴的物理意義，已知e（k）表達(dá)式，能求電子和空穴的有效質(zhì)量，速度和加速度本授課單元教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)，以及引導(dǎo)學(xué)生解決重點(diǎn)難點(diǎn)的方法、例題等）：1．半導(dǎo)體中e（k）與k的關(guān)系（重點(diǎn)，難點(diǎn)）2．半導(dǎo)體中電子的平均速度3．半導(dǎo)體中電子的加速度4．有效質(zhì)量的物理意義（重點(diǎn)，難點(diǎn)）5．本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)— 空穴（重點(diǎn)）補(bǔ)充2各課外討論題和例題： 采用ppt課件和黑板板書相結(jié)合的方法講授 本授課單元思考題、討論題、作業(yè)： 作業(yè)題：44頁(yè)2題，補(bǔ)充課外作業(yè)題1個(gè) 本授課單元參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等，必要時(shí)可列出）劉恩科，朱秉升等《半導(dǎo)體物理學(xué)》，電子工業(yè)出版社2005 田敬民，張聲良《半導(dǎo)體物理學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與典型題解》電子工業(yè)施敏著，趙鶴鳴等譯，《半導(dǎo)體器件物理與工藝》，蘇州大學(xué)出版社，方俊鑫，陸棟，《固體物理學(xué)》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社5．曾謹(jǐn)言，《量子力學(xué)》科學(xué)出版社注：；；3.“重點(diǎn)”、“難點(diǎn)”、“教學(xué)手段與方法”部分要盡量具體；：理論課、討論課、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)課、練習(xí)或習(xí)題課。三、建議教材和參考資料：（半導(dǎo)體物理學(xué)），西安交大劉恩科主編：（1）Fundamental of SolidState Electronics，ChihTang Sah（.）（2）《半導(dǎo)體物理學(xué)》，葉良修編（3）《半導(dǎo)體物理學(xué)》，顧祖毅編（4）《半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，自編講義第五篇：半導(dǎo)體物理物理教案(03級(jí))課 程 教 案學(xué)院、部：材料與能源學(xué)院系、所；微電子工程系授課教師：魏愛香，張海燕課程名稱；半導(dǎo)體物理課程學(xué)時(shí)：64實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8教材名稱：半導(dǎo)體物理學(xué)2005年912 月授課類型：理論課 授課時(shí)間：2節(jié)授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）：第一章半導(dǎo)體的電子狀態(tài)本授課單元教學(xué)目標(biāo)或要求：了解半導(dǎo)體材料的三種典型的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)；理解半導(dǎo)體中的電子態(tài), 定性分析說明能帶形成的物理原因，掌握導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)本授課單元教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)，以及引導(dǎo)學(xué)生解決重點(diǎn)難點(diǎn)的方法、例題等）：1．半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)：金剛石型結(jié)構(gòu)；閃鋅礦型結(jié)構(gòu)；纖鋅礦型結(jié)構(gòu)2．原子的能級(jí)和晶體的能帶3．半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶（重點(diǎn)，難點(diǎn)）4．導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶（重點(diǎn)）研究晶體中電子狀態(tài)的理論稱為能帶論，在前一學(xué)期的《固體物理》課程中已經(jīng)比較完整地介紹了，本節(jié)把重要的內(nèi)容和思想做簡(jiǎn)要的回顧。?學(xué)生分組做實(shí)驗(yàn)，每組2人。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量選做四個(gè)實(shí)驗(yàn)。必做題約40道，選做題平均每章3－5題。半導(dǎo)體磁效應(yīng)（1學(xué)時(shí)）：掌握霍耳效應(yīng)。理解少數(shù)載流子的注人，歐姆接觸。異質(zhì)結(jié)（0學(xué)時(shí)）：了解異質(zhì)結(jié)及其能帶圖和異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)。非平衡載流子（8學(xué)時(shí)）：掌握非平衡載流子的注人與復(fù)合，非平衡載流子的壽命，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，復(fù)合理論，陷阱效應(yīng)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、愛因斯坦關(guān)系，理解連續(xù)性方程。了解電導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)理論。了解簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布（10學(xué)時(shí)）：掌握狀態(tài)密度，費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布，本征半導(dǎo)體的載流子濃度，雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（5學(xué)時(shí)）：掌握鍺、硅晶體中的雜質(zhì)能級(jí)，ⅢⅤ 族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)。二、教學(xué)內(nèi)容和要求理論教學(xué)（60學(xué)時(shí)）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（8學(xué)時(shí)）：理解能帶論。 本授課單元參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等，必要時(shí)可列出）[1] 吳杰編著，《光電信號(hào)檢測(cè)》，哈爾濱工業(yè)出版社，1990 [2] 高稚允等編著，《光電檢測(cè)技術(shù)》，國(guó)防工業(yè)出版社，1995第四篇：半導(dǎo)體物理課程教學(xué)大綱《半導(dǎo)體物理》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：C030001 適用專業(yè)：微電子技術(shù)，微電子學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)：72（實(shí)驗(yàn)12）學(xué)分?jǐn)?shù)：4．5先修課程：《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》、《量子力學(xué)》和《固體物理學(xué)》考核方式：閉卷執(zhí)筆者：劉諾編寫日期：一、課程性質(zhì)和任務(wù)《半導(dǎo)體物理學(xué)》是面向電子科學(xué)與技術(shù)方向本科生所開設(shè)的微電子技術(shù)專業(yè)和微電子學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和學(xué)位課，是培養(yǎng)方案中的核心課程之一。216。216。* 難點(diǎn)：能帶理論、PN結(jié)的三種接觸方式。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能產(chǎn)生光電效應(yīng)。晶格吸收在這種吸收過程中，光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動(dòng)。當(dāng)半導(dǎo)體處于足夠低的溫度中時(shí)，電子與晶格的聯(lián)系顯得非常微弱．此時(shí)吸收的輻射，使載流子在帶內(nèi)的能量分布發(fā)生顯著變化。自由載流子吸收在半導(dǎo)體材料的紅外吸收光譜中發(fā)現(xiàn)，在本征吸收限長(zhǎng)波測(cè)還存在著強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而增加的吸收。激子的能量小于自由電子的能量，因此能級(jí)處在禁帶中。不同的電離能有不同的長(zhǎng)波限，摻雜的雜質(zhì)不同，吸收就可以在很寬的波段內(nèi)產(chǎn)生。雜質(zhì)吸收處于雜質(zhì)能級(jí)中的電子與空穴，也可以引起光的吸收。本征吸收半導(dǎo)體材料吸收光的原因，在于光與處在各種狀態(tài)的電子、晶格原子和雜質(zhì)原子的相互作用。五、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。此外，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如果鄰近兩層的原子間距不相同，原子的排列會(huì)被迫與下層相同，那么原子間就會(huì)有應(yīng)力存在，該應(yīng)力會(huì)改變電子的能帶結(jié)構(gòu)與行為。例如以砷化鎵來說，鎵可以被鋁或銦取代，而砷可以用磷、銻、或氮取代，所設(shè)計(jì)出來的材料特性因而變化多端，因此有人造材料工程學(xué)的名詞出現(xiàn)?？茖W(xué)家利用低維度的特性，已經(jīng)已作出各式各樣的組件，其中就包含有光纖通訊中的高速光電組件，而量子與分?jǐn)?shù)霍爾效應(yīng)分別獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。(3)奇異的二度空間特性：因?yàn)殡娮颖痪窒拊谥虚g層內(nèi)，其沿夾層的方向是不能自由運(yùn)動(dòng)的，因此該電子只剩下二個(gè)自由度的空間，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)因而提供了一個(gè)非常好的物理系統(tǒng)可用于研究低維度的物理特性。然而在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可將雜質(zhì)加在兩邊的夾層中，該雜質(zhì)所貢獻(xiàn)的電子會(huì)掉到中間層，因其有較低的能量（如圖3所示）。例如：能階量子化、基態(tài)能量增加、能態(tài)密度改變等，其中能態(tài)密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特性有以下幾個(gè)方面。所謂半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，就是將不同材料的半導(dǎo)體薄膜，依先后次序沉積在同一基座上。利用界面合金、外延生長(zhǎng)、真空淀積等技術(shù)，都可以制造異質(zhì)結(jié)。(四)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由于半導(dǎo)體外延技術(shù)的發(fā)展，從60年代開始，可以將禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)在同一塊晶體上，且可以按人們的意志做成突變的或緩變的結(jié)，這種由兩種不同質(zhì)的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)按照兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)可分為同型異質(zhì)結(jié)（Pp結(jié)或Nn結(jié)）和異型異質(zhì)(Pn或pN)結(jié)，多層異質(zhì)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗鼡舸┮院?，通過PN結(jié)的電流可以有相當(dāng)大的變化而其兩端電壓卻變化很小，所以起到了穩(wěn)壓作用。擊穿并不一定是壞事。所以，PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦裕仨氈赋觯捎跓徇\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少數(shù)載流于所形成的反向電流，當(dāng)溫度升高時(shí)，因熱激發(fā)增強(qiáng)而會(huì)使反向電流急劇增加，這是造成PN結(jié)工作不穩(wěn)定的原因，在實(shí)際應(yīng)用中必須注意這個(gè)問題．當(dāng)加到PN結(jié)上的反向電壓超過一定數(shù)值時(shí)，反向電流就有明顯的增加，甚至突然猛增，這種現(xiàn)象叫PN結(jié)的擊穿。在外加電場(chǎng)的作用下，阻擋層左邊P區(qū)的空穴和阻擋層右邊N區(qū)的電子都將進(jìn)一步離開PN結(jié)，于是阻擋層(空間電荷區(qū))加寬了，阻擋層兩端的電位差也增加了．因此，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子穿過阻擋層的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受阻，由多數(shù)載流子形成的電流等于零。②PN結(jié)加反向電壓N區(qū)接電源的正極，P區(qū)接電源的負(fù)極，這是PN結(jié)反向運(yùn)用的情況。當(dāng)正向電壓升高時(shí)，PN結(jié)中的電場(chǎng)就減弱得更多，P區(qū)移向N區(qū)的空穴就愈多，N區(qū)移向P區(qū)的電子也增多，因此正向電流隨正向電壓的增加而迅速上升。雖然電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向相反，但它們所形成的電流卻是相加的，即正向電流等于電子電流與空穴電流之和，從而形成比較大的正向電流，如圖所示。P區(qū)接正N區(qū)接負(fù)，叫正向運(yùn)用，這時(shí)的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置電壓；P區(qū)接負(fù)N區(qū)接正，叫反向運(yùn)用，這時(shí)的外加電壓稱反向電壓或反向偏置電壓。．PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦匀绻赑N結(jié)上加一電壓，當(dāng)P區(qū)接正而N區(qū)接負(fù)時(shí)就有一定的電流通過，并且隨外加電壓的升高電流迅速增大；當(dāng)P區(qū)接負(fù)而N區(qū)接正時(shí)，電流就很微小并且電流數(shù)值與外加電壓關(guān)系不大。當(dāng)二者的作用相等時(shí)，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)空間電荷區(qū)的寬度和空間電荷數(shù)目就不再增加，內(nèi)建電場(chǎng)也不再增強(qiáng)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，形成PN結(jié)。因P區(qū)有大量的空穴(電子很少)，N區(qū)有大量的電子(空穴很少)這樣，在P型和N型半導(dǎo)體的交界處就出現(xiàn)了濃度差，電子和空穴都要向濃度小的地方運(yùn)動(dòng)。在一塊半導(dǎo)體晶體的不同部位摻入不同的雜質(zhì)，使得這塊晶體的一部分呈P型半導(dǎo)體，另一部分呈N型半導(dǎo)體，則在P型和N型的交界處就形成了PN結(jié)。(三)PN結(jié)與載流子的運(yùn)動(dòng)PN結(jié)PN結(jié)就是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界的地方，這個(gè)交界處雖然很薄，但有許多特殊的電性能，它是晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等半導(dǎo)體器件的核心部分。如圖所示。如在硅中摻入少量的磷(P)，則磷原子跑到硅里面去，它要占據(jù)原來硅原子的位置。這種半導(dǎo)體主要是靠空穴導(dǎo)電的，所以也叫空穴型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入一定數(shù)量的雜質(zhì)就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化，使它具有制造晶體管時(shí)所需要的特性，并且因摻入雜質(zhì)元素的不同，可形成電子型半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)和空穴型半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)兩大類（均成電中性）。從而維持了一定數(shù)量的自由電子和空穴這種狀態(tài)稱為熱平衡。本征激發(fā)使半導(dǎo)體內(nèi)不斷產(chǎn)生電子和空穴，同時(shí)它們又不斷地進(jìn)行著復(fù)合。這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的特性。對(duì)于本征半導(dǎo)體來說，其載流子只能依靠本征激發(fā)產(chǎn)生。這時(shí)，導(dǎo)帶有了電子，價(jià)帶也有了空穴，本征半導(dǎo)體就有能力導(dǎo)電了。因此，這時(shí)的本征半導(dǎo)體和絕緣體一樣，不能導(dǎo)電。其中圖(a)是假設(shè)在絕對(duì)零度時(shí)，又不受光、電、磁等外界作用的本征半導(dǎo)體能帶圖。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電特性完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在電場(chǎng)作用下，它可以自由地在晶體中運(yùn)動(dòng)，象導(dǎo)帶中的電子一樣能夠起導(dǎo)電作用，這種價(jià)帶中的電子空位，我們通常稱之為空穴。為了處理方便，我們把價(jià)帶的電子空位想象為帶正電的粒子。在外加電場(chǎng)的作用下，有些電子在原來熱運(yùn)動(dòng)上迭加了定向運(yùn)動(dòng)，從而形成了電流。以后，其它電子又可以再躍入這些新的空位，這就好象空位在價(jià)帶中移動(dòng)一樣，只不過其移動(dòng)方向與電子相反罷了。如果價(jià)帶中的一些電子在外界作用下躍遷到導(dǎo)帶，那么在價(jià)帶中就留下了缺乏電子的空位。如果價(jià)帶中填滿了電子而沒有空能級(jí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子又沒有足夠能量激發(fā)到導(dǎo)帶，那么，電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也無法改變，因而不能形成定向運(yùn)動(dòng)，也就沒有電流。這也就是說，在電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。因此，要改變晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便改變電子的運(yùn)動(dòng)能量，使它躍遷到新的能級(jí)中去，一般需要滿足兩個(gè)條件：一是具有能向電子提供能量的外界作用；二是電子要躍入的那個(gè)能級(jí)是空的。3．半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)當(dāng)在一塊半導(dǎo)體的兩端加上電壓后，則價(jià)電子在無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上迭加了由電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)，形成了電流，并且它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生了變化，因而其運(yùn)動(dòng)能量必然與原來熱運(yùn)動(dòng)時(shí)有所不同。并且，能帶圖并不實(shí)際存在，而只是用來著重說明電子的能量分布情況。上面關(guān)于能帶形成的通俗論證是十分粗糙而不嚴(yán)格的。半導(dǎo)體的許多重要特性就是由此引起的。半導(dǎo)體的能帶與絕緣體相似，在理想的絕對(duì)零度下，也有被電子填滿的價(jià)帶和全空的導(dǎo)帶，但其禁帶比較窄。圖29所示為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶情況。價(jià)帶以上的能帶基本上是空的，其中最低的帶常稱為導(dǎo)帶。在理想的絕對(duì)零度下，硅、鍺、金剛石等共價(jià)鍵結(jié)合的晶體中，從其最內(nèi)層的電子直到最外邊的價(jià)電子