《半导体材料与应用》课程教学大纲.docx

《《半导体材料与应用》课程教学大纲.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《半导体材料与应用》课程教学大纲.docx（12页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、半导体材料与应用一、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。教学部分共 含

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

3、s, 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 will

4、help students to improve the capability of self-development in academic researches and skills fbr lifelong learning. This course emphasizes nol only the essentials in the utilization of advanced tools, communications and dialectical thinking that are required by engineering majors, but also the incl

5、usive 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, 13.2 III-V族化合物半导体的外延生长3.3

6、 HIT族多元化合物半导体3.4 II-VI族化合物半导体3. 5其他半导体材料5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 金属一氧化物-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 器以系统讲授为主，辅以随堂测验、自主 学习、小组学习的形式。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

7、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 FI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。组织“专题讨论”小组活动，学生自 行查阅资料选题，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、研究热点进行资料收集整理，并在 课上进行讲解，教师点评或分组互评。1. 2,3, 4, 56、考核要求、考核方式及成绩评定标准10(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

8、式进行，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 (%)1学期结业 论文提交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、内 容丰富程度、逻

9、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客观题的回答准确率520课后作业 (主观题)课后练习题1.解题思路和公式60%;2 .解题步骤25%;3 .答案正确5%；4 .卷面工整5%;5 .及时提交5%5202学期结业 论文提交论文能够使用信息资源与专业软 件，如Web of Sci.等外文数 据库，流程图(PowerPoint、 ChcmDraw)、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。4

10、0-60平时成绩Seminar 报 告能够使用信息资源与专业软 件,如Web of Sci.等外文数 据库等对文献进行充分调 研：使用 PowerPoint、ChcmDrawOrigin 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。40-603学期结业 论文提交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、法律法规以按照提交论文的选题准 确性与重要性、相关内容 丰富程度、逻辑严谨性、10011及领域中国内外热点形势。文字流畅程度、格式是否 工整等标准进行评价4平

11、时成绩“专题讨 论”小组活 动（Seminar 报告）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。在考虑工 程管理与经济决策的前提 下，提出自己的改进设想并 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、团队合作、展示内容、 讲解效果10()7、其他说明持续改进说明：本课程未来将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。12 application industries and so on. The teaching part of this course includes 24 t

12、heoretical credit hours.课程基本信息二、教学大纲课程名称半导体材料与应用课程编码431217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，2013.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,2005.1、课程目标1）使得学生掌握半导体材料的基本知识，建立起半导体材料制备和加

13、工的 基本概念。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GA2.3、3.1、3.2）2）能够使用信息资源与专业软件，如Web of Sci.等外文数据库，流程图 （PowerPointChemDraw） 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

14、行调研，并能 分析其局限性。（支撑GA5.2）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。（支持GA2.3、6.1）4）通过学习半导体材料的理论知识，结合学生对于材料工程管理与经济决 策的了解，能够就复杂工程问题，以口头、文稿、图表等方式，能够模拟讨论目 前国内半导体制造行业发展的现状，指出存在的问题，并在考虑工程管理与经济 决策的前提下，提出自己的

15、改进设想并能够多角度进行可行性分析（支持 GA11.2）教学目标与毕业要求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1234GA3.1,3.2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。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，可以 使学生对半导体材料的性 质、制备过程、器件设计及 性能研究有较为系统的了 解，理解相关的方法原理、 核心技术以及关键影响因 素，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。GA5.2指标点5.2能够使

16、用恰当仪器，信息资源工 程工具和专业模拟软件，针对无 机非金属材料复杂工程问题的特 定需求，开发或选择具体的现代 工具，对复杂工程问题进行分析、 计算、设计，对专业问题进行预 测和模拟，并能分析其局限性。V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。GA2.3,6.1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

17、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。指标点6.1通过课程学习，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、提炼以及总结的 能力。借助课堂知识和文献 信息整合，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3了解无机非金属材料技术相关领 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

18、担的责任。GA1I.2指标点11.2能在多学科环境下（包括模拟环 境），在设计开发无机非金属材 料复杂工程问题解决方案的过程 中，运用工程管理与经济决策方 法。通过小组学习和专题研讨， 理解并掌握材料工程管理 原理与经济决策方法，并能 在多学科环境中应用。同 时:学生能够充分思考、交 流、总结多学科环境下工程 管理与经济决策方法的应 用所带来的影响。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

19、），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GA2.3、3.1、3.2）2）能够使用信息资源与专业软件，如Web of Sci.等外文数据库，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GA5.2）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

20、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GA2.3、6.1）4）通过学习半导体材料的理论知识，结合学生对于材料工程管理与经济决 策的了解，使其能够就复杂工程问题，以口头、文稿、图表等方式，能够模拟讨 论目前国内半导体制造行业发展的现状，指出存在的问题，并在考虑工程管理与 经济决策的前提下，提出自己的改进设想并能够多角度进行可行性分析（支撑GA1I.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

21、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 供应的安全问题，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。（支撑GA8.1）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。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，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

22、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，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

23、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M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杳学习行为，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 期性边界条件1.2 能带1.3 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、空穴和我流子1.5 硅、错、碎化钱的能带结构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

24、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 III-V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、错的化学制备与晶体生长（5学时）2.1 硅和铭的化学制备2.1.1 硅和错的物理化学性质2.1.2 高纯硅的制备2.1.3 倍的富集与提纯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 倍的区熔提纯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

25、.3 硅、错单晶生长2.4 硅、错晶体中的杂质和缺陷2.4.1 硅、错晶体中杂质的性质2.4.2 硅、楮晶体的掺杂2.4.3 硅、错单晶的位错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）3.1 III-V族化合物半导体3.1.1 III-V族化合物半导体的特性3

26、.1.2 神化像单晶的生长方法3.1.3 神化像单晶中杂质的控制3.1.4 硅化像单晶的完整性3.1.5 其他IH-V族化合物的制备3.2 III-V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）3.2.3 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 III-V族多元化合物半导体331异质结与晶格失配3.3.1 GaAlAs外延生长3.3.2 InGaN外延生长3.3.3 InGaAsP外延生长3.3.4 超晶格与量子阱3.4 II-VI族化合物半导

27、体3.4.1 H-VI族化合物单晶材料的制备3.4.2 II-VI族化合物的点缺陷与日补偿现象3.4.3 II-VI族多元化合物材料3.4.4 H-VI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356非晶态半导体材料3.5.7 有机半导体材料教学目标：教学重点在于III-V族，II-VI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.

28、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 体器件的工作原理。第5章专题讨论一分组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,角度深入展开）5.3 对调研内

29、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章绪论以课堂讲授为主，辅以随堂测验、自主 学习、小组学习的形式。1, 2, 3, 42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、伸化线的能带结构1.6 杂质和缺陷能级以系统讲授为主，辅以随堂测验、自主 学习、小组学习的形式。1, 23第2章硅、楮的化学制备与晶体生长2.1 硅和铸的化学制备2.2 区熔提纯2.3 晶体生长2.4 硅、错晶体中的杂质和缺陷2.5 5硅外延生长以系统讲授为主，辅以随堂测验、自主 学习、小组学习的形式。1. 2, 34第3章化合物半导体与其他半导体材料3. 1 IIIT族化合物半导体以系统讲授为主，辅以随堂测验、自主 学习、小组学习的形式。1. 2, 39