2《固体电子学基础》一课程教学大纲 于尧check.docx
《2《固体电子学基础》一课程教学大纲 于尧check.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2《固体电子学基础》一课程教学大纲 于尧check.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2《固体电子学基础》一课程教学大纲于尧check
《固体电子学基础》课程教学大纲
一、课程名称（中英文）
中文名称：
固体电子学基础
英文名称：
FundamentalsofSolidStateElectronics
二、课程编码及性质
课程编码：
0808184
课程性质：
专业核心课，必修课
三、学时与学分
总学时：
64
学分：
4.0
四、先修课程
学科概论、大学数学、大学物理
五、授课对象
本课程面向电子封装专业学生开设。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）
本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：
1.掌握用于解决电子封装复杂问题的固体电子学基础知识，培养将所学知识用于解决电子封装复杂问题的能力。
2.掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
3.培养较强的综合归纳能力，并将固体电子学的基本原理在多学科环境中加以应用的能力。
4．培养采用合适的方法，自我学习、提高的能力。
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掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的数学基础知识。
1.2掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。
1.3掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的工程力学基础知识。
1.4掌握了用于解决电子制造技术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电子制造技术复杂问题。
课程目标1
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。
如：
IMC的演变。
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。
如：
固相相变。
2.3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。
如：
可靠性实验。
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。
如：
连接界面的建模与分析。
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了解电子制造技术问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。
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）针对复杂电子制造技术问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定电子制造技术需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。
3.3在设计（开发）过程中，具有追求电子制造技术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掌握微连接原理，能够采用科学方法，具备合理设计电子制造技术复杂实验、开展科学研究的能力。
4.2掌握电子制造技术原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施电子制造技术综合实验，得出正确结果的能力。
4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的电子制造技术实验结果进行正确分析能力。
4.4了解常见的电子制造技术常用设备、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、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
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2
5.2了解电子制造技术专业重要资料来源及获取方法。
5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂电子制造技术实践的能力。
5.4掌握复杂电子制造技术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了解与电子制造工程相关的国家方针、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了解电子制造技术专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂成型及控制工程问题解决方案的优劣。
6.3能正确认识电子制造技术各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能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了解电子制造技术的专业特征、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。
7.2能正确理解和评价电子制造技术复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。
7.3在解决复杂的电子制造技术的实际问题中，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。
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，并能在多学科环境中应用。
11.1了解机械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。
课程目标3
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。
课程目标4
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：
教学重点：
1）本课程首先重点介绍晶体的微观结构，原子的振动方式及原子振动对材料热学性能的影响。
2）在全面了解与掌握原子的运动方式的基础上，进一步学习晶体中电子的运动方式、能带的形成以及相应的对晶体导电性能的划分。
3）课程将重点或详细介绍半导体中的载流子种类的划分，分布形式、运动状态及对半导体性能的影响，并进一步学习非平衡载流子的产生及湮灭。
4）重点学习的章节内容包括：
第4章“晶格振动和晶体的热学性质”（6学时）、第5章“能带论基础”（6学时）、第9章“半导体中的载流子”（6学时）、第11章“非平衡载流子”（6学时）。
教学难点：
1）通过本课程的学习，初步了解量子力学的基本理论及相关原理。
2）通过本课程的学习，充分理解晶体结构的划分方式，系统掌握原子振动，比热计算等相关基本理论。
3）在充分理解能带理论的基础上，系统掌握半导体中平衡载流子及非平衡载流子状态的计算方法，从而对半导体分方面的综合性能有一个基本而全面的理解。
八、教学方法与手段：
教学方法：
（1）采用现代化教学方法（含PPT演示，设备照片，影像资料等），讲授量子力学基本原理，固体物理基础理论及半导体物理的基本知识，以提高教学效果及效率；
（2）适时安排课堂小测试，大作业讨论。
通过大作业撰写，使学生亲自查阅最新进展，拓展课程内容。
教学手段：
（1）结合各种晶体实例，深入分析晶体不同的微观结构及原子运动的特点，使学生对具备对晶体学相关基本性质进行系统性分析的能力。
（2）结合半导体材料实例，有的放矢地引入施主杂质，受主杂质，平衡态载流子，非平衡载流子等基本概念；再结合半导体应用的实例，加深学生载流子相关的基本理论知识的理解与掌握，提高授课质量与效果。
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
量子力学基础
6
6
2
晶体的结构和晶体的结合
6
6
3
固体的结合
4
4
4
晶格振动和晶体的热学性质
6
6
5
能带论基础
6
6
6
金属中的电子
4
4
7
半导体中的电子
6
6
8
半导体中的杂质和缺陷能级
4
4
9
半导体中的载流子
6
6
10
半导体的导电性
6
6
11
非平衡载流子
6
6
12
金属和半导体的接触
4
4
（2）具体内容
各章节的具体内容如下：
第1章量子力学基础（6学时）
1.1量子力学的发展背景
1.2波函数和薛定谔方程
1.3定态薛定谔方程举例
1.4量子力学中的力学量
1.5微扰理论
第2章晶体的结构和晶体的结合（6学时）
2.1晶体的特征
2.2晶体结构的周期性描述
2.3晶列、晶面和它们的标志密勒指数
2.4倒格子
2.5晶体的宏观对称
2.6点群
第3章固体的结合（4学时）
3.1离子性结合
3.2共价结合
3.3金属性结合
3.4范德瓦尔斯结合
3.5元素和化合物晶体结合的规律性
第4章晶格振动和晶体的热学性质（6学时）
4.1一维单原子链
4.2一维双原子链
4.3三维晶格的振动
4.4确定振动谱的实验方法
4.5晶格热容的量子理论
4.6晶格的热传导
第5章能带论基础（6学时）
5.1布洛赫定理
5.2一维周期场中电子运动的近自由电子近似
5.3一维周期场中电子运动的近自由电子近似
5.4紧束缚近似
5.5能带密度和费米面
第6章金属中的电子（4学时）
6.1费米统计和电子热容量
6.2功函数和接触电势
6.3分布函数和玻尔兹曼方程
6.4弛豫时间近似和电导率公式
第7章半导体中的电子（6学时）
7.1半导体的晶格结构和结合性质
7.2半导体中的电子状态和能带
7.3半导体中电子的运动有效质量
7.4本征半导体的导电机构空穴
7.5回旋共振
7.6典型半导体材料的能带结构简介
第8章半导体中的杂质和缺陷能级（4学时）
8.1硅、锗晶体中的杂质能级
8.2III-V族化合物中的杂质能级
8.3缺陷、位错能级
第9章半导体中的载流子（6学时）
9.1状态密度
9.2费米能级和载流子的统计分布
9.3本征半导体的载流子浓度
9.4杂质半导体的载流子浓度
9.5一般情况下的载流子统计分布
9.6简并半导体
第10章半导体的导电性（6学时）
10.1载流子的漂移运动和迁移率
10.2载流子的散射
10.3迁移率与杂质浓度和温度的关系
10.4电阻率及其与杂质浓度和温度的关系
10.5玻尔兹曼方程、电导率的统计理论
10.6强电场下的效应、热载流子
第11章非平衡载流子（6学时）
11.1非平衡载流子的注入与复合
11.2费平衡载流子的寿命
11.3准费米能级
11.4复合理论
11.5陷阱效应
11.6载流子的扩散运动
11.7载流子的漂移与扩散，爱因斯坦关系式
11.8连续性方程式
第12章金属和半导体的接触（4学时）
12.1金属半导体接触及其能级图
12.2金属半导体接触整流理论
12.3少数载流子的注入和欧姆接触
（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1章思考题：
1、在0K附近，钠的价电子动能约为3eV，求其德布罗意波长。
2、设一维无限深势阱宽度为a，求处于基态的粒子的动量分布。
3、求一维无限深势阱中粒子的坐标和动量在能量表象中的矩阵元。
4、转动惯量为I，电偶极矩为D的空间转子处在均匀电场E中，如果电场较小，用微扰法求转子基态能量的一级修正。
第2章思考题：
1、试证：
六方密排堆积结构中
。
2、证明：
面心立方的倒格子是体心立方；体心立方的倒格子是面心立方。
3、证明倒格子矢量
垂直于密勒指数为
的晶面系。
4、画出立方晶格（111）面、（100）面、（110）面，并指出（111）面与（100）面、（111）面与（110）面的交线的晶向。
第3章思考题：
1、两种一价离子组成的一维晶格的马德隆常数（
）和库仑相互作用能，设离子的总数为
。
2、bcc和fccNe的结合能，用林纳德—琼斯（Lennard—Jones）势计算Ne在bcc和fcc结构中的结合能之比值。
第4章思考题：
1、已知一维单原子链，其中第
个格波，在第
个格点引起的位移为，
，
为任意个相位因子，并已知在较高温度下每个格波的平均能量为，具体计算每个原子的平方平均位移。
2、讨论N个原胞的一维双原子链（相邻原子间距为a），其2N个格波解，当
=
时与一维单原子链的结果一一对应
3、设三维晶格的光学振动在q=0附近的长波极限有
求证：
;
.
4、有N个相同原子组成的面积为S的二维晶格，在德拜近似下计算比热，并论述在低温极限比热正比与
第5章思考题：
1、根据
状态简并微扰结果，求出与
及
相应的波函数
及
?
，并说明它们的特性．说明它们都代表驻波，并比较两个电子云分布
说明能隙的来源（假设
=
）。
2、写出一维近自由电子近似，第n个能带（n=1，2，3）中，简约波数
的0级波函数
3、电子在周期场中的势能．
0，
其中d＝4b，
是常数．试画出此势能曲线，求其平均值及此晶体的第一个和第二个禁带度．
4、有一一维单原子链，间距为a，总长度为Na。
求
（1）用紧束缚近似求出原子s态能级对应的能带E（k）函数。
（2）求出其能态密度函数的表达式。
（3）如果每个原子s态只有一个电子，求等于T=0K的费米能级
及
处的能态密度。
第6章思考题：
1、He3为自旋为1/2的费米子。
He3液体在绝对零度附近密度为0.081gcm-1，计算费米能EF和费米温度TF。
2、若把银看成具有球形费米面的单价金属，计算费米球半径和费米速度。
第7章思考题：
1、一维晶体的电子能带可写为
，
式中a为晶格常数，试求
（1）布里渊区边界；
（2）能带宽度；
（3）电子在波矢k状态时的速度；
（4）能带底部电子的有效质量
；
（5）能带顶部空穴的有效质量
2、晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。
第8章思考题：
1、实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？
2、以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。
3、以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。
4、锑化铟的禁带宽度Eg=0.18eV，相对介电常数r=17，电子的有效质量
=0.015m0,m0为电子的惯性质量，求①施主杂质的电离能，②施主的弱束缚电子基态轨道半径。
第9章思考题：
1、计算能量在E=Ec到
之间单位体积中的量子态数。
2、当E-EF为1.5k0T，4k0T,10k0T时，分别用费米分布函数和玻耳兹曼分布函数计算电子占据各该能级的概率。
3、计算硅在-78oC，27oC，300oC时的本征费米能级，假定它在禁带中间合理吗？
4、①在室温下，锗的有效态密度Nc=1.051019cm-3，NV=3.91018cm-3，试求锗的载流子有效质量m*nm*p。
计算77K时的NC和NV。
已知300K时，Eg=0.67eV。
77k时Eg=0.76eV。
求这两个温度时锗的本征载流子浓度。
②77K时，锗的电子浓度为1017cm-3，假定受主浓度为零，而Ec-ED=0.01eV，求锗中施主浓度ED为多少？
5、计算含有施主杂质浓度为ND=91015cm-3，及受主杂质浓度为1.11016cm3，的硅在33K时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。
第10章思考题：
1、300K时，Ge的本征电阻率为47cm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/（V•s）和1900cm2/（V•s）。
试求Ge的载流子浓度。
2、试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/（V•s）和500cm2/（V•s）。
当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。
比本征Si的电导率增大了多少倍？
3、电阻率为10•m的p型Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度。
4、设电子迁移率0.1m2/（V•S）,Si的电导有效质量mc=0.26m0,加以强度为104V/m的电场，试求平均自由时间和平均自由程。
第11章思考题：
1、在一个n型半导体样品中，过剩空穴浓度为1013cm-3,空穴的寿命为100us。
计算空穴的复合率。
2、一块半导体材料的寿命=10us，光照在材料中会产生非平衡载流子，试求光照突然停止20us后，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几？
3、n型硅中，掺杂浓度ND=1016cm-3,光注入的非平衡载流子浓度n=p=1014cm-3。
计算无光照和有光照的电导率。
4、把一种复合中心杂质掺入本征硅内，如果它的能级位置在禁带中央，试证明小注入时的寿命=n+p。
第12章思考题：
1、求Al-Cu、Au-Cu、W-Al、Cu-Ag的接触电势差，并标出电势的正负。
2、施主浓度ND=1017cm-3的n型硅，室温下的功函数是多少？
若不考虑表面态的影响，它分别同Al，Au，Mo接触时，形成阻挡层还是反阻挡层？
3、受主浓度NA=1017cm-3的n型硅，室温下的功函数是多少？
若不考虑表面态的影响，它分别同Al，Au，Pt接触时，形成阻挡层还是反阻挡层？
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做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约10%计入课程总成绩）。
十、教学参考书及文献
1、《固体物理学》，黄昆等编，北京大学出版社，2009年
2、《半导体物理学》，刘恩科等编，电子工业出版社，2007年
3、《量子力学》，周世勋编，高等教育出版社，2009年
4、《固体电子学基础》，张艺等编，浙江大学出版社，2006年
5、《固态电子学基础》，萨支唐等编著，复旦大学出版社，2003年
十一、课程成绩评定与记载考核方式
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%
（说明按规定，全部课程的平时成绩统一为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
平时作业
10
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10%计入课程总成绩。
1、2
随堂测试
10
安排一次随堂测试，成绩按10%计入课程总成绩。
1、2
考试成绩
70%
考试的卷面分数
70
主要考核液态成型装备、塑性成型装备、连接成型装备、快速成型、热处理工业炉等内容，以卷面成绩的70%计入总成绩。
1、2、3、4
2、终结性考试形式：
实施闭卷考试，以卷面成绩的70%计入总成绩。
撰稿：
《固体电子学基础》课程组（主笔：
于尧）
审核：
材料科学与工程学院本科教学指导委员会
2015－12－10
升级会员 