物理學(xué)教案設(shè)計(jì) 物理教案簡案4篇(大全)

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物理學(xué)教案設(shè)計(jì) 物理教案簡案篇一

關(guān)于教案的幾點(diǎn)說明: 教案的基本內(nèi)容:包括課程的課程重點(diǎn),課程難點(diǎn),基本概念,基本要求,參考資料,思考題和自測題,教學(xué)進(jìn)度及學(xué)時(shí)分配.教材:采用高等學(xué)校工科電子類(電子信息類)規(guī)劃教材《半導(dǎo)體物理學(xué)》,由劉思科,朱秉升,羅晉生等編寫.本教材多次獲獎(jiǎng),如全國高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎(jiǎng),電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng),普通高等學(xué)校教材全國特等獎(jiǎng).參考資料(書目)葉良修(北大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 劉文明(吉大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 顧祖毅(清華)《半導(dǎo)體物理學(xué)》

格羅夫(美)《半導(dǎo)體器件物理與工藝》 王家驊(南開)《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(sze.s.m美)《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(sze.s.m美)《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》

目錄

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§1.1 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí),半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) §1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§1.3 電子在周期場中的運(yùn)動(dòng)——能帶論

§1.4 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 §1.5 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) §1.6 回旋共振 §1.7 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) §1.8 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) §2.1 硅,鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) §2.2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) §2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布 §3.1 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度 §3.2 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 §3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 §3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 §3.5 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 §3.6 簡并半導(dǎo)體 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 §4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 §4.2 載流子的散射

§4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 §4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 §4.6 強(qiáng)電場效應(yīng),熱載流子 §4.7 耿氏效應(yīng),多能谷散射 第五章 非平衡載流子 §5.1 非平衡載流子的注入 §5.2 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 §5.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) §5.4 復(fù)合理論 §5.5 陷阱效應(yīng) §5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

§5.7 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),愛因斯坦關(guān)系 §5.8 連續(xù)性方程及其應(yīng)用 第六章 p–n結(jié)

§6.1 p–n結(jié)及其能帶圖 §6.2 p–n結(jié)電流電壓特性 §6.3 p–n結(jié)電容 §6.4 p–n結(jié)擊穿 §6.5(*)p–n結(jié)隧道效應(yīng)

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) §1.1 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí) 半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容:

14學(xué)時(shí) 微14學(xué)時(shí)）（光 1.晶體結(jié)構(gòu)的描述(有關(guān)的名詞)格點(diǎn):空間(一維或多維)點(diǎn)陣中的點(diǎn)(結(jié)點(diǎn))晶列:通過任意;兩格點(diǎn)所作的(晶列上有一系列格點(diǎn))晶向:在坐標(biāo)系中晶列的方向(確定晶向的方法待定)用晶向指數(shù)表示;如[110].晶面:通過格點(diǎn)作的平面.一組平行的晶面是等效的,其中任意兩晶面上的格點(diǎn)排列是相同的,且面間距相等.晶面用晶面指數(shù)(密勒指數(shù))表示,如(111),(100)…… 反映晶體周期性的重復(fù)單元,有兩種選取方法: 在固體物理學(xué)中——選取周期最小的重復(fù)單元,即原胞.在晶體學(xué)中——由對(duì)稱性取選最小的重復(fù)單元,即晶胞(單胞)基矢:確定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢為周期排列,因此,基矢的大小又成為晶格常數(shù).晶軸:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢為坐標(biāo)軸——晶軸 格矢:在固體物理學(xué)中,選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)o,任一格點(diǎn)a的格矢 =++，,為晶軸上的投影,取整數(shù)，,為晶軸上的單位矢量.在結(jié)晶學(xué)中(用的較多),選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)o,任一格點(diǎn)a的格矢 =++，,為對(duì)應(yīng)晶軸上的投影,取有理數(shù)，,為晶軸上的單位矢量.晶列指數(shù)及晶向:格矢在相應(yīng)晶軸上投影的稱作晶列指數(shù),并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固體物理學(xué)中,表示為[ ],投影為負(fù)值時(shí),l的數(shù)字上部冠負(fù)號(hào).等效晶向用表示.晶面:通過格點(diǎn)作的平面,用晶面指數(shù)表示.晶面指數(shù):表示晶面的一組數(shù).晶向與晶面的關(guān)系:在正交坐標(biāo)系中,晶面指數(shù)與晶面指數(shù)相同時(shí),晶向垂直于晶面.2.幾種晶格結(jié)構(gòu) 結(jié)晶學(xué)晶胞: 簡立方:立方體的八個(gè)頂角各有一個(gè)原子.體心立方:簡立方的中心加進(jìn)一個(gè)原子.面心立方:簡立方的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu):同種原子構(gòu)成的兩個(gè)面心立方沿體對(duì)角線相對(duì)位移體對(duì)角線的套構(gòu)而成.每個(gè)晶胞含原子數(shù):8(頂角)+6(面心)+4(體心)=8個(gè) 如果只考慮晶格的周期性,可用固體物理學(xué)原胞表示: 簡立方原胞:與晶胞相同,含一個(gè)原子.體心立方原胞:為棱長a的簡立方,含一個(gè)原子.面心立方原胞:為棱長a的菱立方,由面心立方體對(duì)角線的;兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成,含一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu)原胞:為棱長a的菱立方,由體對(duì)角線的兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成棱立方,其內(nèi)包含一個(gè)距頂角體對(duì)角線的原子,因此,原胞共含有2個(gè)原子.3.半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu))4.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu))及其特點(diǎn);半導(dǎo)體的閃鋅礦型結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn).◆課程難點(diǎn): 1.描述晶體的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞區(qū)分開.在固體物理學(xué)中,只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性,其最小重復(fù)單元為原胞,例如金剛石型結(jié)構(gòu)的原胞為棱長a的菱立方,含有兩個(gè)原子;在結(jié)晶學(xué)中除強(qiáng)調(diào)晶格的周期性外,還要強(qiáng)調(diào)原子分布的對(duì)稱性,例如同為金剛石型結(jié)構(gòu),其晶胞為棱長為a的正立方體,含有8個(gè)原子.2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的ⅲ-ⅴ族化合物和金剛石型結(jié)構(gòu)一樣,都是由兩個(gè)面心立方晶格套構(gòu)而成,稱這種晶格為雙原子復(fù)式格子.如果選取只反映晶格周期性的原胞時(shí),則每個(gè)原胞中只包含兩個(gè)原子,一個(gè)是ⅲ族原子,另一個(gè)是ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)單元,但二者有所不同.在固體物理學(xué)中,原胞只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性;而在結(jié)晶學(xué)中,晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格中原子分布的的對(duì)稱性.◆基本要求:記住晶向與晶面的關(guān)系;熟悉金剛石型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶胞原子的空間立體分布及硅,鍺,砷化鎵晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),晶格常數(shù),原子密度數(shù)量級(jí)(個(gè)原子/立方厘米).§1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 原子中的電子狀態(tài) 1.1玻耳的氫原子理論 1.2玻耳氫原子理論的意義

1.3氫原子能級(jí)公式及玻耳氫原子軌道半徑 1.4索末菲對(duì)玻耳理論的發(fā)展 1.5量子力學(xué)對(duì)半經(jīng)典理論的修正 1.6原子能級(jí)的簡并度 2 晶體中的電子狀態(tài) 2.1電子共有化運(yùn)動(dòng)

2.2電子共有化運(yùn)動(dòng)使能級(jí)分裂為能帶 3 半導(dǎo)體硅,鍺晶體的能帶 3.1硅,鍺原子的電子結(jié)構(gòu) 3.2硅,鍺晶體能帶的形成 3.3半導(dǎo)體(硅,鍺)的能帶特點(diǎn) ◆課程重點(diǎn): 1.氫原子能級(jí)公式 =-,氫原子第一玻耳軌道半徑 =,這兩個(gè)公式還可用于類氫原子(今后用到)量子力學(xué)認(rèn)為微觀粒子(如電子)的運(yùn)動(dòng)須用波函數(shù)來描述,經(jīng)典意義上的軌道實(shí)質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方.電子的狀態(tài)可用四個(gè)量子數(shù)表示.晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體(硅,鍺)能帶的特點(diǎn): 存在軌道雜化,失去能級(jí)與能帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系.雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶,上能帶稱為導(dǎo)帶,下能帶稱為價(jià)帶

低溫下,價(jià)帶填滿電子,導(dǎo)帶全空,高溫下價(jià)帶中的一部分電子躍遷到導(dǎo)帶,使晶體呈現(xiàn)弱導(dǎo)電性.導(dǎo)帶與價(jià)帶間的能隙(energy gap)稱為禁帶(forbidden band).禁帶寬度取決于晶體種類,晶體結(jié)構(gòu)及溫度.當(dāng)原子數(shù)很大時(shí),導(dǎo)帶,價(jià)帶內(nèi)能級(jí)密度很大,可以認(rèn)為能級(jí)準(zhǔn)連續(xù)

◆課程難點(diǎn):原子能級(jí)的簡并度為(2l+1),若記入自旋,簡并度為2(2l+1);注意一點(diǎn),原子是不能簡并的.◆基本概念:電子共有化運(yùn)動(dòng):原子組成晶體后,由于原子殼層的交疊,電子不再局限在某一個(gè)原子上,可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去,因而,電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng).但須注意,因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系碾娮硬庞邢嗤哪芰?電子只能在相似殼層中轉(zhuǎn)移.◆基本要求:掌握氫原子能級(jí)公式和氫原子軌道半徑公式;掌握能帶形成的原因及電子共有化運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn);掌握硅,鍺能帶的特點(diǎn).§1.3 電子在周期場中的運(yùn)動(dòng)——能帶論 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1.自由電子的運(yùn)動(dòng) 電子在周期場中的運(yùn)動(dòng) 能帶理論的應(yīng)用 ◆課程重點(diǎn): 熟悉晶體中電子的運(yùn)動(dòng)與孤立原子的電子和自由電子的運(yùn)動(dòng)有何不同:孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢(shì)場中運(yùn)動(dòng),自由電子是在恒定為零的勢(shì)場中運(yùn)動(dòng),而晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的原子間運(yùn)動(dòng),單電子近似認(rèn)為,晶體中的某一個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)場以及其它大量電子的平均勢(shì)場中運(yùn)動(dòng),這個(gè)勢(shì)場也是周期性變化的,而且它的周期與晶格周期相同.自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):對(duì)于波矢為k的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),自由電子的能量e,動(dòng)量p,速度v均有確定的數(shù)值.因此,波矢k可用以描述自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k值標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài),自由電子的e和k的關(guān)系曲線,呈拋物線形狀.由于波矢k的連續(xù)變化,自由電子的能量是連續(xù)能譜,從零到無限大的所有能量值都是允許的.晶體中的電子運(yùn)動(dòng)服從布洛赫定理:晶體中的電子是以調(diào)幅平面波在晶體中傳播.這個(gè)波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù).求解薛定諤方程,得到電子在周期場中運(yùn)動(dòng)時(shí)其能量不連續(xù),形成一系列允帶和禁帶.一個(gè)允帶對(duì)應(yīng)的k值范圍稱為布里淵區(qū).用能帶理論解釋導(dǎo)帶,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性.◆課程難點(diǎn): 布洛赫波函數(shù)的意義:晶體中的電子在周期性勢(shì)場中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似,代表一個(gè)波長為1/k而在k方向上傳播的平面波,不過這個(gè)波的振幅(x)隨x作周期性的變化,其變化周期與晶格周期相同.所以常說晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播.顯然,若令(x)為常數(shù),則在周期性勢(shì)場中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)了.其次,根據(jù)波函數(shù)的意義,在空間某一點(diǎn)找到電子的幾率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度(即||=)成比例.對(duì)于自由電子,||=a,即在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相等,故在空間各點(diǎn)找到電子的幾率相同,這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng),而對(duì)于晶體中的電子,||=|(x)(x)|,但(x)是與晶格同周期的函數(shù),在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶格周期性變化,所以在晶體中各點(diǎn)找到該電子的幾率也具周期性變化的性質(zhì).這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上,而是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其它晶胞內(nèi)的對(duì)應(yīng)點(diǎn),因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)成為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng).組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),其行為與自由電子相似,常稱為準(zhǔn)自由電子.而內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱,其行為與孤立原子中的電子相似.最后,布洛赫波函數(shù)中的波矢k與自由電子波函數(shù)的一樣,它描述晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k的標(biāo)志著不同的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài).金剛石結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)是一個(gè)十四面體,(見講義圖1-11),要注意圖中特殊點(diǎn)的位置.◆基本概念及名詞術(shù)語: 能帶產(chǎn)生的原因: 定性理論(物理概念):晶體中原子之間的相互作用,使能級(jí)分裂形成能帶.定量理論(量子力學(xué)計(jì)算):電子在周期場中運(yùn)動(dòng),其能量不連續(xù)形成能帶.能帶(energy band)包括允帶和禁帶.允帶(allowed band):允許電子能量存在的能量范圍.禁帶(forbidden band):不允許電子存在的能量范圍.允帶又分為空帶,滿帶,導(dǎo)帶,價(jià)帶.空帶(empty band):不被電子占據(jù)的允帶.滿帶(filled band):允帶中的能量狀態(tài)(能級(jí))均被電子占據(jù).導(dǎo)帶(conduction band):電子未占滿的允帶(有部分電子.)價(jià)帶(valence band):被價(jià)電子占據(jù)的允帶(低溫下通常被價(jià)電子占滿).用能帶理論解釋導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性: 固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,其機(jī)理可以根據(jù)電子填充能帶的情況來說明.固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外場的作用下定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.由于電場力對(duì)電子的加速作用,使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化.換言之,即電子與外電場間發(fā)生能量交換.從能帶論來看,電子的能量變化,就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去.對(duì)于滿帶,其中的能級(jí)已被電子所占滿,在外電場作用下,滿帶中的電子并不形成電流,對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn),通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿帶中的能級(jí),因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn).對(duì)于被電子部分占滿的能帶,在外電場作用下,電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的的能級(jí)去,起導(dǎo)電作用,常稱這種能帶為導(dǎo)帶.金屬中,由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù)的能帶是部分占滿的,所以金屬是良好的導(dǎo)電體.半導(dǎo)體和絕緣體的能帶類似,即下面是已被價(jià)電子占滿的滿帶(其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶),亦稱價(jià)帶,中間為禁帶,上面是空帶.因此,在外電場作用下并不導(dǎo)電,但是這只是絕對(duì)溫度為零時(shí)的情況.當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),例如溫度升高或有光照時(shí),滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到上面的看到中去,使能帶底部附近有了少量電子,因而在外電場作用下,這些電子將參與導(dǎo)電;同時(shí),滿帶中由于少了一些電子,在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài),滿帶變成了部分占滿的能帶,在外電場作用下,仍留在滿帶中的電子也能夠起導(dǎo)電作用,滿帶電子的這種導(dǎo)電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準(zhǔn)粒子的導(dǎo)電作用,常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴.所以在半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴參與導(dǎo)電,這是與金屬導(dǎo)體的最大差別.絕緣體的禁帶寬度很大,激發(fā)電子需要很大的能量,在通常溫度下,能激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子很少,所以導(dǎo)電性很差.半導(dǎo)體禁帶寬度比較小,數(shù)量級(jí)在1ev左右,在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去,所以具有一定的導(dǎo)電能力,這是絕緣體和半導(dǎo)體的主要區(qū)別.室溫下,金剛石的禁帶寬度為6～7ev,它是絕緣體;硅為1.12ev,鍺為0.67ev,砷化鎵為1.43ev,所以它們都是半導(dǎo)體.共價(jià)鍵理論: 共價(jià)鍵理論能夠比較簡單,直觀,較好地解釋晶體的某些性質(zhì).⑴共價(jià)鍵理論主要有三點(diǎn): 晶體的化學(xué)鍵是共價(jià)鍵,如 si,ge.共價(jià)鍵上的電子處于束縛態(tài),不能參與導(dǎo)電.處于束縛態(tài)的價(jià)電子從外界得到能量,有可能掙脫束縛成為自由電子,參與導(dǎo)電.⑵共價(jià)鍵理論應(yīng)用 解釋半導(dǎo)體摻雜的敏感性

例:摻入替位式五價(jià)元素,可提供導(dǎo)電電子;摻入替位式三價(jià)元素,可提供導(dǎo)電空穴.解釋半導(dǎo)體的熱敏性,光敏性等.⑶兩者理論的比較(能帶理論與共價(jià)鍵理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系)能帶理論 共價(jià)鍵理論 價(jià)帶中電子 共價(jià)鍵上的電子

導(dǎo)帶中電子 掙脫共價(jià)鍵的電子(變?yōu)樽杂呻娮?禁帶寬度 鍵上電子掙脫鍵束縛所需的能量 定量理論 定性理論(4)本征激發(fā): 共價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子,亦即價(jià)帶電子吸收能量被激發(fā)到導(dǎo)帶成為導(dǎo)帶電子的過程,稱為本征激發(fā).這一概念今后經(jīng)常用到.§1.4 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶中e(k)與k的關(guān)系 價(jià)帶頂附近電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量的意義 ◆課程重點(diǎn): 掌握半導(dǎo)體中求e(k)與k的關(guān)系的方法:晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要比自由電子復(fù)雜得多,要得到它的e(k)表達(dá)式很困難.但在半導(dǎo)體中起作用地是位于導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近的電子.因此,可采用級(jí)數(shù)展開的方法研究帶底或帶頂e(k)關(guān)系.電子有效質(zhì)量=/(一維情況),注意,在能帶底是正值,在能帶頂是負(fù)值.電子的速度為v=,注意v可以是正值,也可以是負(fù)值,這取決于能量對(duì)波矢的變化率.引入電子有效質(zhì)量后,半導(dǎo)體中電子所受的外力與加速度的關(guān)系具有牛頓第二定律的形式,即a=f/.可見只是以有效質(zhì)量代換了電子慣性質(zhì)量.空穴的概念:在牛頓第二定律中要求有效質(zhì)量為正值,但價(jià)帶頂電子的有效質(zhì)量為負(fù)值.這在描述價(jià)帶頂電子的加速度遇到困難.為了解決這一問題,引入空穴的概念.價(jià)帶中不被電子占據(jù)的空狀態(tài) 價(jià)帶頂附近空穴有效質(zhì)量 >0 數(shù)值上與該處的電子有效質(zhì)量相同,即=->0 ,空穴帶電荷+q(共價(jià)鍵上少一個(gè)電子,破壞局部電中性,顯正電).③空穴的能量坐標(biāo)與電子的相反,分布服從能量最小原理.有效質(zhì)量的意義:在經(jīng)典牛頓第二定律中a=,式中f是外合力,是慣性質(zhì)量.但半導(dǎo)體中電子在外力作用下,描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程中出現(xiàn)的是有效質(zhì)量,而不是電子的慣性質(zhì)量.這是因?yàn)橥饬并不是電子受力的總和,半導(dǎo)體中的電子即使在沒有外加電場作用時(shí),它也要受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子及其它電子的勢(shì)場作用.當(dāng)電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),它一方面受到外電場力f的作用,同時(shí)還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子,電子相互作用著,電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場和外電場作用的綜合效果.但是,要找出內(nèi)部勢(shì)場的具體形式并且求得加速度遇到一定的困難,引進(jìn)有效質(zhì)量后可使問題變得簡單,直接把外力f和電子的加速度聯(lián)系起來,而內(nèi)部勢(shì)場的作用則由有效質(zhì)量加以概括.因此,引進(jìn)有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場的作用.特別是可以直接由實(shí)驗(yàn)測定,因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.在能帶底部附近,e/d>0,電子的有效質(zhì)量是正值;在能帶頂附近,e/d

導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(電子導(dǎo)電,空穴導(dǎo)電)◆課程重點(diǎn): 滿帶中的電子不導(dǎo)電:電子可以在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng),但是,這些電子能否導(dǎo)電,還必須考慮電子填充能帶的情況,不能只看單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng).研究發(fā)現(xiàn),如果一個(gè)能帶中所有的狀態(tài)都被電子占滿,那么,即使有外加電場,晶體中也沒有電流,即滿帶電子不導(dǎo)電.只有雖包含電子但并未填滿的能帶才有一定的導(dǎo)電性,即不滿的能帶中的電子才可以導(dǎo)電.絕對(duì)溫度為零時(shí),純凈半導(dǎo)體的價(jià)帶被價(jià)電子填滿,導(dǎo)帶是空的.在一定的溫度下,價(jià)帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底部附近,在外電場作用下,導(dǎo)帶中電子便參與導(dǎo)電.因?yàn)檫@些電子在導(dǎo)帶底部附近,所以,它們的有效質(zhì)量是正的.同時(shí),價(jià)帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài),因而價(jià)帶電子也表現(xiàn)出具有導(dǎo)電的特性,它們的導(dǎo)電作用常用空穴導(dǎo)電來描寫.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu):對(duì)本征半導(dǎo)體,導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子,價(jià)帶中就對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多少空穴,導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電,價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電,這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).這一點(diǎn)是半導(dǎo)體同金屬的最大差異,金屬中只有電子一種荷載電流的粒子(稱為載流子),而半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子.正是由于這兩種載流子的作用,使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性,可用來制造形形色色的器件.◆課程難點(diǎn):價(jià)帶電子導(dǎo)電通常用空穴導(dǎo)電來描述.實(shí)踐證明,這樣做是時(shí)分方便的.但是,如何理解空穴導(dǎo)電 設(shè)想價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到價(jià)帶,此時(shí)價(jià)帶為不滿帶,價(jià)帶中電子便可導(dǎo)電.設(shè)電子電流密度密度為j,則 j=價(jià)帶(k狀態(tài)空出)電子總電流

可以用下述方法計(jì)算出j的值.設(shè)想以一個(gè)電子填充到空的k狀態(tài),這個(gè)電子的電流等于電子電荷-q乘以k狀態(tài)電子的速度v(k),即 k狀態(tài)電子電流=(-q)v(k)填入這個(gè)電子后,價(jià)帶又被填滿,總電流應(yīng)為零,即 j+(-q)v(k)=0 因而得到 j=(+q)v(k)這就是說,當(dāng)價(jià)帶k狀態(tài)空出時(shí),價(jià)帶電子的總電流,就如同一個(gè)正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流.因此,通常把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子,稱為空穴.引進(jìn)這樣一個(gè)假象的粒子――空穴后,便可以很簡便地描述價(jià)帶(未填滿)的電流.◆基本概念: 載流子:晶體中荷載電流(或傳導(dǎo)電流)的粒子.金屬中為電子,半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),正確理解空穴的導(dǎo)電機(jī)理.§1.6 回旋共振 ◆本節(jié)內(nèi)容: k空間等能面 回旋共振

◆課程重點(diǎn): 利用回旋共振實(shí)驗(yàn)測量有效質(zhì)量.◆課程難點(diǎn):回旋共振原理及條件.◆基本概念:回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的是測量電子的有效質(zhì)量,以便采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法推出半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu).為能觀測出明顯的共振吸收峰,就要求樣品純度要高,而且實(shí)驗(yàn)一般在低溫下進(jìn)行,交變電磁場的頻率在微波甚至在紅外光的范圍.實(shí)驗(yàn)中常是固定交變電磁場的頻率,改變磁感應(yīng)強(qiáng)度以觀測吸收現(xiàn)象.磁感應(yīng)強(qiáng)度約為零點(diǎn)幾t.等能面的形狀與有效質(zhì)量密切相關(guān),對(duì)于球形等能面,有效質(zhì)量各向同性,即只有一個(gè)有效質(zhì)量;對(duì)于橢球等能面,有效質(zhì)量各向異性,即在不同的波矢方向?qū)?yīng)不同的有效質(zhì)量(可參考下節(jié)內(nèi)容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半導(dǎo)體材料,其能帶結(jié)構(gòu)不同,而且往往是各向異性的,即沿不同的波矢方向,e～k關(guān)系不同.e～k關(guān)系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)條件.§1.7 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu) ◆課程重點(diǎn): 回旋共振的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硅,鍺電子有效質(zhì)量各向異性,說明其等能面各向異性.通過分析,硅有六個(gè)橢球等能面,分別分布在晶向的六個(gè)等效晶軸上,電子主要分布在這六個(gè)橢球的中心(極值)附近.僅從回旋共振的實(shí)驗(yàn)還不能決定導(dǎo)帶極值(橢球中心)的確定位置.通過施主電子自旋共振實(shí)驗(yàn)得出,硅的導(dǎo)帶極值位于方向的布里淵區(qū)邊界的0.85倍處.n型鍺的實(shí)驗(yàn)指出,鍺的導(dǎo)電極小值位于方向的布里淵區(qū)邊界上共有八個(gè).極值附近等能面為沿方向旋轉(zhuǎn)的八個(gè)橢球面,每個(gè)橢球面有半個(gè)在布里淵區(qū),因此,在簡約布里淵區(qū)共有四個(gè)橢球.硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu):有三條價(jià)帶,其中有兩條價(jià)帶的極值在k=0處重合,有兩種空穴有效質(zhì)量與之對(duì)應(yīng),分別為重空穴和輕空穴,還有第三個(gè)價(jià)帶,其帶頂比前兩個(gè)價(jià)帶降低了,對(duì)于硅,=0.04ev,對(duì)于鍺=0.29ev,這條價(jià)帶給出了第三種空穴.空穴重要分布在前兩個(gè)價(jià)帶.在價(jià)帶頂附近,等能面接近平面.在硅,鍺的能帶圖中指出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢眉敖麕挾?◆課程難點(diǎn):對(duì)e(k)表達(dá)式和回旋共振實(shí)驗(yàn)有效質(zhì)量表達(dá)式的處理.在k空間合理的選取坐標(biāo)系,可是問題得到簡化.如選取為能量零點(diǎn),以為坐標(biāo)原點(diǎn),取，為三個(gè)直角坐標(biāo)軸,分別與橢球主軸重合,并使軸沿橢球長軸方向(即沿方向),則等能面分別為繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面.e(k)表達(dá)式簡化為e(k)=;如果,軸選取恰當(dāng),計(jì)算可簡單,選取使磁感應(yīng)強(qiáng)度b位于軸和軸所組成的平面內(nèi),且同軸交角,則在這個(gè)坐標(biāo)系里,b的方向余弦，分別為=sin,=0,=cos ◆基本概念:橫向有效質(zhì)量沿橢球短軸方向,縱向有效質(zhì)量沿橢球長軸方向.◆基本要求: 掌握硅,鍺的能帶結(jié)構(gòu),注意它們導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂所處的位置.§1.8 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 化合物半導(dǎo)體的種類 化合物半導(dǎo)體的共同特性 化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu) 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu) 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k=0處,等能面為球面,導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.067.在方向布里淵區(qū)邊界還有一個(gè)導(dǎo)帶極小值,極值附近的曲線的曲率比較小,所以此處電子有效質(zhì)量比較大,約為0.55,它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高0.29ev.正是由于這個(gè)能谷的存在,使砷化鎵具有特殊的性能(見第四章).價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅,鍺類似.室溫下禁帶寬度為1.424ev.◆課程難點(diǎn):無

說明:半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度變化,有兩種計(jì)算方法,即 和

均為經(jīng)驗(yàn)公式.◆基本概念:直接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)同一波矢;間接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu),了解化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征.第一章思考題與自測題: 1.原子中的電子和晶體中電子受勢(shì)場作用情況以及運(yùn)動(dòng)情況有何不同 原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同

2.晶體體積的大小對(duì)能級(jí)和能帶有什么影響

3.描述半導(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)為什么要引入"有效質(zhì)量"的概念 用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動(dòng)有何局限性

4.一般來說,對(duì)應(yīng)于高能級(jí)的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此 為什么

5.有效質(zhì)量對(duì)能帶的寬度有什么影響 有人說:"有效質(zhì)量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄."是否如此 為什么

6.簡述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系

7.對(duì)于自由電子,加速反向與外力作用反向一致,這個(gè)結(jié)論是否適用于布洛赫電子

8.從能帶底到能帶頂,晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化 外場對(duì)電子的作用效果有什么不同

9.試述在周期性勢(shì)場中運(yùn)動(dòng)的電子具有哪些一般屬性

10.以硅的本征激發(fā)為例,說明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系 為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度

11.為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質(zhì)量的空穴來描述

12.有兩塊硅單晶,其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價(jià)帶中的能級(jí)數(shù)是否相等 彼此有何聯(lián)系

13.說明布里淵區(qū)和k空間等能面這兩個(gè)物理概念的不同.14.為什么極值附近的等能面是球面的半導(dǎo)體,當(dāng)改變存儲(chǔ)反向時(shí)只能觀察到一個(gè)共振吸收峰

第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（光4學(xué)時(shí) 微5學(xué)時(shí)）

引言: 理想半導(dǎo)體:1,原子嚴(yán)格地周期性排列,晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu).2,晶體中無雜質(zhì),無缺陷.3電子在周期場中作共有化運(yùn)動(dòng),形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上,禁帶中無能級(jí).由本征激發(fā)提供載流子

晶體具有完整的(完美的)晶格結(jié)構(gòu),無任何雜質(zhì)和缺陷——本征半導(dǎo)體.(純凈半導(dǎo)體中,的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質(zhì)決定的)實(shí)際材料中,1,總是有雜質(zhì),缺陷,使周期場破壞,在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中,對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響.2,雜質(zhì)電離提供載流子.§2.1 硅 鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 晶體中雜質(zhì)基本情況

1.1 雜質(zhì)來源 1.2 人為摻雜的目的 1.3 摻雜的方法

1.4 雜質(zhì)在晶體中的位置(替位和間隙)1.5 雜質(zhì)濃度

硅,鍺晶體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)及其電離能 2.1 施主雜質(zhì)及其電離能 2.2 受主雜質(zhì)及其電離能

淺能級(jí)雜質(zhì)電離能計(jì)算——類氫模型 3.1 施主雜質(zhì)電離能計(jì)算 3.2 受主雜質(zhì)電離能計(jì)算 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 深能級(jí)雜質(zhì) 5.1 深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)

5.2深能級(jí)雜質(zhì)產(chǎn)生多重能級(jí)的原因 5.3深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 ◆課程重點(diǎn): 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì),可以顯著地控制半導(dǎo)體地導(dǎo)電性質(zhì).根據(jù)摻入雜質(zhì)地分布位置可以分為替位式雜質(zhì)和受主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子,同時(shí)向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體.受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子,同時(shí)向價(jià)帶提供空穴,使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體.雜質(zhì)元素?fù)饺氚雽?dǎo)體后,由于在晶格勢(shì)場中引入微擾,使能帶極值附近出現(xiàn)分立的能級(jí)——雜質(zhì)能級(jí).v族元素在靠近導(dǎo)帶底的禁帶中引入施主能級(jí),ⅲ族元素在靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е幸胧苤髂芗?jí).類氫模型對(duì)淺能級(jí)的位置給出了比較滿意的定量描述.經(jīng)過修正后,施主雜質(zhì)的電離能和軌道半徑可以表示為: ，受主雜質(zhì)的電離能可以表示為:

式中,為氫原子的基態(tài)電離能;為晶體的相對(duì)介電常數(shù).施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)有相互抵消作用,通常稱為"雜質(zhì)補(bǔ)償"."雜質(zhì)補(bǔ)償"是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ).非ⅲ,ⅴ族雜質(zhì)元素在半導(dǎo)體中也可能會(huì)產(chǎn)生能級(jí)或多能級(jí).例如:金au在硅中電離后產(chǎn)生兩個(gè)能級(jí),一個(gè)在價(jià)帶上面0.35ev處的施主能級(jí),它在p型硅中起主要作用.另一個(gè)在導(dǎo)帶下面0.54ev處的受主能級(jí),它在n型硅中起主要作用.6,深能級(jí)雜質(zhì)和晶體缺陷形成的能級(jí)一般作為復(fù)合中心.◆課程難點(diǎn):用類氫模型計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能;解釋金在鍺中產(chǎn)生多重能級(jí)的原因:金是ⅰ族元素,中性金原子(記為)只有一個(gè)價(jià)電子,它取代鍺晶格中的一個(gè)鍺原子而位于晶格點(diǎn)上.金比鍺少三個(gè)價(jià)電子,中性金原子的這一個(gè)價(jià)電子,可以電離而躍遷入導(dǎo)帶,這一施主能級(jí)為,因此,電離能為().因?yàn)榻鸬倪@個(gè)價(jià)電子被共價(jià)鍵所束縛,電離能很大,略小于鍺的禁帶寬度,所以,這個(gè)施主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.電離以后,中性金原子接受就稱為帶一個(gè)電子電荷的正電中心.但是,另一方面,中性金原子還可以和周圍的四個(gè)鍺原子形成共價(jià)鍵,在形成共價(jià)鍵時(shí),它可以從價(jià)帶接受三個(gè)電子,形成，三個(gè)受主能級(jí).金原子接受第一個(gè)電子后變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第二個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第三個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).上述的，分別表示成為帶一個(gè),兩個(gè),三個(gè)電子電荷的負(fù)電中心.由于電子間的庫侖排斥作用,金從價(jià)帶接受第二個(gè)電子所需要的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)的大,接受第三個(gè)電子時(shí)的電離能又比接受第二個(gè)電子時(shí)的大,所以,>>.離價(jià)帶頂相對(duì)近一些,但是比ⅲ族雜質(zhì)引入的淺能級(jí)還是深得多,更深,就幾乎靠近導(dǎo)帶底了.于是金在鍺中一共有，，五種荷電狀態(tài),相應(yīng)地存在著，,四個(gè)孤立能級(jí),它們都是深能級(jí).以上的分析方法,也可以用來說明其它一些在硅,鍺中形成深能級(jí)的雜質(zhì),基本上與實(shí)驗(yàn)情況相一致.◆基本概念: 施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)):雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心的雜質(zhì)——施主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離能:雜質(zhì)價(jià)電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛成為自由電子所需要的能量——雜質(zhì)電離能,用表示.正電中心:施主電離后的正離子——正電中心

施主能級(jí):施主電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為施主能級(jí).對(duì)于電離能小的施主雜質(zhì)的施主能級(jí)位于禁帶中導(dǎo)帶底以下較小底距離.受主雜質(zhì):能夠向(晶體)半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心底雜質(zhì)——受主雜質(zhì) 受主雜質(zhì)電離能:空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需的能量.受主能級(jí):空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí).淺能級(jí)雜質(zhì):電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì).所謂淺能級(jí),是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底,受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.室溫下,摻雜濃度不很高底情況下,淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離.五價(jià)元素磷(p),銻()在硅,鍺中是淺受主雜質(zhì),三價(jià)元素硼(b),鋁(),鎵(),銦()在硅,鍺中為淺受主雜質(zhì).雜質(zhì)補(bǔ)償:半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí),它們底共同作用會(huì)使載流子減少,這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償.在制造半導(dǎo)體器件底過程中,通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電類型或電阻率.高度補(bǔ)償:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等,則不能提供電子或空穴,這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償.這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體,實(shí)際上含雜質(zhì)很多,性能很差,一般不能用來制造半導(dǎo)體器件.深能級(jí)雜質(zhì):雜質(zhì)電離能大,施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底,受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂.深能級(jí)雜質(zhì)有三個(gè)基本特點(diǎn):一是不容易電離,對(duì)載流子濃度影響不大;二是一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí),甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí).三是能起到復(fù)合中心作用,使少數(shù)載流子壽命降低(在第五章詳細(xì)討論).四是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心,對(duì)載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導(dǎo)電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的基本特點(diǎn)和在半導(dǎo)體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級(jí)又有受主能級(jí),它是有效的復(fù)合中心.§2.2 化合物半導(dǎo)體中底雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式

各類雜質(zhì)在砷化鎵,磷化鎵中的雜質(zhì)能級(jí).◆課程重點(diǎn):四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用,當(dāng)硅的濃度較高時(shí),一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用.這種雙性行為可作如下解釋:實(shí)驗(yàn)測得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級(jí)(-0.002)ev,硅應(yīng)起施主作用,那么當(dāng)硅雜質(zhì)電離后,每一個(gè)硅原子向?qū)峁┮粋€(gè)導(dǎo)電電子,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)隨硅雜質(zhì)濃度的增加而線性增加.但是實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)硅雜質(zhì)濃度上升到一定程度之后,導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和,好像施主雜質(zhì)的有效濃度降低了.這種現(xiàn)象的出現(xiàn),是因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí),硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用,而且硅也取代了一部分v族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用,因而對(duì)于取代ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用,從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度,電子濃度趨于飽和.可見,在這個(gè)粒子中,硅雜質(zhì)的總效果是起施主作用,保持砷化鎵為n型半導(dǎo)體.實(shí)驗(yàn)還表明,砷化鎵單晶體中硅雜質(zhì)濃度為時(shí),取代鎵原子的硅施主濃度與取代砷原子的硅受主濃度之比約為5.3:1.硅取代砷所產(chǎn)生的受主能級(jí)在()ev處.◆課程難點(diǎn):無

◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質(zhì)在某些化合物半導(dǎo)體中,例如磷化鎵中摻入v族元素氮或鉍,氮或鉍將取代磷并在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).這個(gè)能級(jí)稱為等離子陷阱.這種效應(yīng)稱為等離子雜質(zhì)效應(yīng).所謂等離子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子,它們替代了格點(diǎn)上的同族原子后,基本上仍是電中性的.但是由于原子序數(shù)不同,這些原子的共價(jià)半徑和電負(fù)性有差別,因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心.這個(gè)帶電中心就稱為等離子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等離子陷阱呢 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性,共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí),才能形成等離子陷阱.一般說,同族元素原子序數(shù)越小,電負(fù)性越大,共價(jià)半徑越小.等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí),取代后,它便能俘獲電子成為負(fù)電中心.反之,它能俘獲空穴成為正電中心.例如,氮的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.070nm和3.0,磷的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.110nm和2.1,氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心.這個(gè)俘獲中心稱為等離子陷阱.這個(gè)電子的電離能=0.008ev.鉍的共價(jià)半徑和負(fù)電性分別為0.146nm和1.9,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=0.038ev.◆基本要求:掌握等電子陷阱和等離子雜質(zhì)的概念.能解釋硅在砷化鎵中的雙性行為.§2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)◆本節(jié)內(nèi)容: 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 1.1 點(diǎn)缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時(shí)存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無原子空位 1.2 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)特點(diǎn): 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加

熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導(dǎo)體物理學(xué)》p70～p73,或葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94)淬火后可以"凍結(jié)"高溫下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中,經(jīng)高溫加工(如擴(kuò)散)后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理.離子注入形成的缺陷也用退火來消除.1.3 點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢(shì)場被破壞,致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí),在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用,使非平衡載流子濃度和壽命降低.空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散

對(duì)載流子有散射作用,使載流子遷移率和壽命降低.位錯(cuò)(dislocation)2.1 位錯(cuò)形成原因

2.2 位錯(cuò)種類:刃位錯(cuò)(橫位錯(cuò))和螺位錯(cuò) 2.棱位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響: 位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心,表現(xiàn)為受主;懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時(shí)表現(xiàn)為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,也可以起施主作用.位錯(cuò)線處晶格變形,導(dǎo)致能帶變形 位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布均勻性

位錯(cuò)線若接受電子變成負(fù)電中心,對(duì)載流子有散射作用.(第四章)影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復(fù)合;二是在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí),促進(jìn)載流子復(fù)合.(第五章)偏離化學(xué)比缺陷:離子晶體或化合物半導(dǎo)體,由于組成晶體的元素偏離正?；瘜W(xué)比而形成的缺陷.◆課程重點(diǎn):點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響(參閱本節(jié)內(nèi)容).◆課程難點(diǎn):無.◆基本要求:掌握點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響.第二章思考題與自測題: 1.說明雜質(zhì)能級(jí)以及電離能的物理意義.為什么受主,施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較小

2.純鍺,硅中摻入ⅲ族或ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變 雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純

3.把不同種類的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同

4.何謂深能級(jí)雜質(zhì) 它們電離以后有說明特點(diǎn)

5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個(gè)施主或受主能級(jí)

6.說明摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響.7.說明半導(dǎo)體中淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的作用有何不同

8.什么叫雜質(zhì)補(bǔ)償 什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償有何實(shí)際應(yīng)用

第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布

引言: 本章的主要任務(wù):計(jì)算本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置,討論，與，的關(guān)系.熱平衡和熱平衡載流子:在一定溫度下,如果沒有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的,電子從不斷熱震動(dòng)的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā)),形成導(dǎo)電電子和價(jià)帶空穴.電子和空穴也可以通過雜質(zhì)電離方式產(chǎn)生,當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子;當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴等.與此同時(shí),還存在著相反的過程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴不斷減少,這一過程稱為載流子的復(fù)合.在一定溫度下,這兩個(gè)相反的過程之間將建立起動(dòng)態(tài)的平衡,稱為熱平衡狀態(tài).這時(shí),半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子.當(dāng)溫度改變時(shí),破壞了原來的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,達(dá)到另一穩(wěn)定數(shù)值.解決問題的思路:熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡,載流子在各個(gè)能級(jí)之間躍遷,但它們?cè)诿總€(gè)能級(jí)上出現(xiàn)的幾率是不同的.要討論熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布,是首先要解決下述問題: ①回顧幾率的概念及幾率的運(yùn)算法則

載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(shù)(幾率函數(shù))允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(e)載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論，～，t的關(guān)系

§3.1 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度(說明:本節(jié)內(nèi)容對(duì)講義§3.1和§3.2進(jìn)行了整合)◆本節(jié)內(nèi)容: 幾率的基本運(yùn)算法則(簡要回顧加法和乘法)分布函數(shù)

2.1 maxwell速率分布函數(shù) 2.2 boltzmann能量分布函數(shù)

2.3 費(fèi)米(fermi)分布函數(shù)

能量狀態(tài)密度 3.1 k空間的狀態(tài)密度 3.2 導(dǎo)帶和價(jià)帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點(diǎn): 費(fèi)米分布函數(shù)的意義:它表示能量為e的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù);費(fèi)米分布函數(shù)還給出空穴占據(jù)各能級(jí)的幾率,一個(gè)能級(jí)要么被電子占據(jù),否則就是空的,即被空穴占據(jù), 與對(duì)稱于 可以證明:

這對(duì)研究電子和空穴的分布很方便.費(fèi)米分布函數(shù)與波耳茲曼分布函數(shù)的關(guān)系: 當(dāng)時(shí),電子的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為波耳茲曼分布函數(shù).因?yàn)閷?duì)于熱平衡系統(tǒng)和溫度為定值,則,這就是通常見到的波耳茲曼分布函數(shù).同理,當(dāng)時(shí) ,空穴的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為空穴的波耳茲曼分布函數(shù).在半導(dǎo)體中,最常遇到的情況是費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi),而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于,所以,對(duì)導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來說,被電子占據(jù)的幾率,一般都滿足,故半導(dǎo)體電子中的電子分布可以用電子的波耳茲曼分布函數(shù)描寫.由于隨著能量e的增大,f(e)迅速減小,所以導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底附近.同理,對(duì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有量子態(tài)來說,被空穴占據(jù)的幾率,一般都滿足,故價(jià)帶中的空穴分布服從空穴的波耳茲曼分布函數(shù).由于隨著能量e的增大,迅速增大,所以價(jià)帶中絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂附近.因而和是討論半導(dǎo)體問題時(shí)常用的兩個(gè)公式.通常把服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)率的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng).費(fèi)米能級(jí):稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量,它和溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān).是一個(gè)很重要的物理參數(shù),只要知道了的數(shù)值,在一定溫度下,電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定.它可以由半導(dǎo)體中能帶內(nèi)所以量子態(tài)中被電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù)應(yīng)等于電子總數(shù)n這一條件來決定,即,將半導(dǎo)體中大量電子的集體看成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),由統(tǒng)計(jì)理論證明,費(fèi)米能級(jí)是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),即,代表系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),f式系統(tǒng)的自由能.上式的意義是:當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),也不對(duì)外界做功的情況下,系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化,等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),所以處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí).一般可以認(rèn)為,在溫度不很高時(shí),能量大于費(fèi)米能級(jí)的電子態(tài)基本上沒有被電子占據(jù),而能量小于費(fèi)米能級(jí)的幾率在各溫度下總是1/2,所以費(fèi)米能級(jí)的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況,通常就說費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.費(fèi)米能級(jí)位置越高,說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子.了計(jì)算電子和空穴的濃度,必須對(duì)一個(gè)能帶內(nèi)的所有能量積分,而不只是對(duì)布里淵區(qū)體積積分,為此引入狀態(tài)密度概念即單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù).其表達(dá)式為:.可以通過下述步驟計(jì)算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù),即k空間中的狀態(tài)密度;然后算出k空間中與能量e到e+de間所對(duì)應(yīng)的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量e到e+de間的量子態(tài)數(shù)de;最后,根據(jù)前式,求得狀態(tài)密度g(e).◆課程難點(diǎn): 能量狀態(tài)密度與k空間量子態(tài)的分布即等能面的形狀有關(guān).在k 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為v(立方晶體的體積).如果計(jì)入自旋,每個(gè)量子態(tài)可以允許兩個(gè)自旋相反的電子占據(jù)一個(gè)量子態(tài).換言之,k空間每個(gè)量子態(tài)實(shí)際上代表自旋方向相反的兩個(gè)量子態(tài),所以,在k空間,電子允許的量子態(tài)密度為2v.注意:這時(shí)每個(gè)量子態(tài)最多容納一個(gè)電子.這樣,與費(fèi)米分布函數(shù)的定義就統(tǒng)一起來了(費(fèi)米分布函數(shù)是能量為e的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率).狀態(tài)密度表達(dá)式的推導(dǎo)過程作為課堂討論的課程重點(diǎn)內(nèi)容之一.◆基本概念:費(fèi)米分布函數(shù),k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:掌握費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及費(fèi)米能級(jí)的意義.費(fèi)米能級(jí)是一個(gè)參考能級(jí),不是電子的真實(shí)能級(jí),費(fèi)米能級(jí)的位置標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.熱平衡條件下費(fèi)米能級(jí)為定值,費(fèi)米能級(jí)的數(shù)值與溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及零點(diǎn)的選取有關(guān),它是一個(gè)很重要的物理參數(shù).要求學(xué)習(xí)好的同學(xué)能導(dǎo)出導(dǎo)帶底能量狀態(tài)密度的表達(dá)式.§3.2 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶電子濃度 價(jià)帶空穴濃度 ◆課程重點(diǎn): 導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度和帶空穴濃度表達(dá)式

理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達(dá)式的意義(見基本要求)◆課程難點(diǎn):導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度的基本思路是:和計(jì)算狀態(tài)密度是一樣,認(rèn)為能帶中的能級(jí)是連續(xù)分布的,將能帶分成一個(gè)個(gè)很小的能量間隔來處理.對(duì)導(dǎo)帶分為無限多的無限小的能量間隔,則在能量到之間有個(gè)量子態(tài),而電子占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個(gè)被電子占據(jù)的量子態(tài),因?yàn)槊總€(gè)被占據(jù)的量子態(tài)上有一個(gè)電子,所以在到間有個(gè)電子.然后把所有能量區(qū)間中的電子數(shù)相加,實(shí)際上是從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)進(jìn)行積分,就得到了能帶中底電子總數(shù),再除以半導(dǎo)體體積就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度.因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)一般在禁帶中,導(dǎo)帶中的能級(jí)遠(yuǎn)高于費(fèi)米能級(jí),即當(dāng)時(shí),計(jì)算導(dǎo)帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數(shù).◆基本概念:電子濃度和空穴濃度的乘積與費(fèi)米能級(jí)無關(guān).對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,乘積只決定于溫度,與所含雜質(zhì)無關(guān).而在一定溫度下,對(duì)不同的半導(dǎo)體材料,因禁帶寬度不同,乘積也將不同.這個(gè)關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體,都普遍適用,在討論許多許多實(shí)際問題時(shí)常常引用.對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,在一定的溫度下,乘積時(shí)一定的.換言之,當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小;反之亦然.式和式是熱平衡載流子濃度的普遍表示式.只要確定了費(fèi)米能級(jí),在一定溫度時(shí),半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度,價(jià)帶中空穴濃度就可以計(jì)算出來.◆基本要求:掌握導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度公式: 與分別是導(dǎo)帶與價(jià)帶底有效狀態(tài)密度,相當(dāng)于把導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底,而它的狀態(tài)密度為;同理,相當(dāng)于把價(jià)帶中所有量子態(tài)都集中在價(jià)帶頂,而它的狀態(tài)密度為.上兩式中的指數(shù)部分是具有玻耳茲曼分布函數(shù)形式的幾率函數(shù),前者是電子占據(jù)能量為的量子態(tài)幾率,后者是空穴占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率.則導(dǎo)帶中的電子濃度是中電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù),價(jià)帶空穴濃度是中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù).§3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí) 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 熱平衡條件

◆課程重點(diǎn):利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導(dǎo)體,其負(fù)電數(shù)與正電荷相等.因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,空穴帶正電,所以對(duì)本征半導(dǎo)體,電中性條件是導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=,由此式可導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí).)求解本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí):本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說,半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的,完整的.當(dāng)半導(dǎo)體的溫度大于零度時(shí),就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去,同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,這就是所謂的本征激發(fā).由于電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=.2本征載流子濃度與溫度和價(jià)帶寬度有關(guān).溫度升高時(shí),本征載流子濃度迅速增加;不同的半導(dǎo)體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,本征載流子濃度越大.3,一定溫度下,任何非簡并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積對(duì)于該溫度時(shí)的本征載流子的濃度的平方,即,與所含雜質(zhì)無關(guān).因此,它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料,而且也適用于非簡并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料.4,的意義:可作為判斷半導(dǎo)體材料的熱平衡條件.熱平衡條件下，均為常數(shù),則也為常數(shù),這時(shí)單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù),也就是說產(chǎn)生率大于復(fù)合率.因此,此式可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的依據(jù)式.◆課程難點(diǎn): 這是一個(gè)容易忽視的問題,即本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度,根據(jù)載流子的分布函數(shù)及費(fèi)米年間的意義可知:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該位于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的中間位置,即禁帶中央處.只有這樣,導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴才能對(duì)稱于費(fèi)米能級(jí),分布在導(dǎo)帶和價(jià)帶中,以滿足=.但是由于導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度()和價(jià)帶有效狀態(tài)密度()中分別含有電子狀態(tài)濃度的有效質(zhì)量()和價(jià)帶空穴狀態(tài)有效密度().由于兩者數(shù)值上的差異,使本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中央.如果費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中很小,可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)基本上位于禁帶中央;如果和相差很大,本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)就會(huì)偏離禁帶中央很遠(yuǎn).具體情況可用本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)表達(dá)式分析(參閱講義式(3-30)即該式以下的說明).◆基本概念: 半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,這個(gè)工作溫度受本征載流子濃度制約:一般半導(dǎo)體器件中,載流子主要來源于雜質(zhì)電離,而將本征激發(fā)忽略不計(jì).在本征載流子濃度沒有超過雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,如果雜質(zhì)全部電離,載流子濃度是一定的,器件就能穩(wěn)定工作.但是隨著溫度的升高,本征載流子濃度迅速地增加.例如在室溫附近,純硅的溫度每升高8k左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.而純鍺的溫度每升高12k左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.當(dāng)溫度足夠高時(shí),本征激發(fā)占主要地位,器件將不能正常工作.因此,每一種半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,超過這一溫度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室溫電阻率為1·cm左右的原材料,它是由摻入的施主雜質(zhì)銻而制成的.在保持載流子主要來源于雜質(zhì)電離時(shí),要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí),即不超過.如果也以本征載流子濃度不超過的話,對(duì)應(yīng)溫度為526k,所以硅器件的極限工作溫度是520k左右.鍺的禁帶寬度比硅小,鍺的器件工作溫度比硅低,約為370k左右.砷化鎵禁帶寬度比硅大,極限工作溫度可高達(dá)720k左右,適宜于制造大功率器件.總之,由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化,用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定,所以制造半導(dǎo)體器件一般都用含有適當(dāng)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料.◆基本要求: 能夠?qū)懗霰菊靼雽?dǎo)體的電中性方程,并導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí)的表達(dá)式;熟悉半導(dǎo)體半導(dǎo)體載流子濃度與溫度和禁帶寬度的關(guān)系;了解通過測量不同溫度下本征載流子濃度如何得到絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度;正確使用熱平衡判斷式.經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)最好要記住.例如,300 k時(shí)硅,鍺,砷化鎵的禁帶寬度分別為1.12ev,0.67ev,1.428ev.本征載流子濃度分別為，均為實(shí)驗(yàn)值.§3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)濃度上的電子和空穴 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 ◆課程重點(diǎn): 半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)不同:因?yàn)殡s質(zhì)能級(jí)和能帶中的能級(jí)是有區(qū)別的,在能帶中的能級(jí)可以容納自旋下凡的兩個(gè)電子;而施主能級(jí)只能或者被一個(gè)任意自旋方向的電子占據(jù),或者不接受電子(空的)這兩種情況中的一種,即施主能級(jí)不允許同時(shí)被自旋方向相反的兩個(gè)電子所占據(jù).所以不能用費(fèi)米分布函數(shù)表示電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的幾率.分析雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度和溫度對(duì)載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的影響.摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)濃度所決定.對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體,隨著溫度的升高,載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程,相應(yīng)地,費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近逐漸移近禁帶中線處.譬如n型半導(dǎo)體,在低溫弱電離區(qū)時(shí),導(dǎo)帶中的電子是從施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生的;隨著溫度升高,導(dǎo)帶中的電子濃度也增加,而費(fèi)米能級(jí)則從施主能級(jí)以上往下降到施主能級(jí)以下;當(dāng)下降到以下若干時(shí),施主雜質(zhì)全部電離,導(dǎo)帶中的電子濃度等于施主濃度,處于飽和區(qū);再升高溫度,雜質(zhì)電離已經(jīng)不能增加電子數(shù),但本征激發(fā)產(chǎn)生的電子迅速增加著,半導(dǎo)體進(jìn)入過渡區(qū),這是導(dǎo)帶中的電子由數(shù)量級(jí)相近的本征激發(fā)部分和雜質(zhì)電離部分組成,而費(fèi)米能級(jí)則繼續(xù)下降;當(dāng)溫度再升高時(shí),本征激發(fā)成為載流子的主要來源,載流子濃度急劇上升,而費(fèi)米能級(jí)下降到禁帶中線處這時(shí)就是典型的本征激發(fā).對(duì)于p型半導(dǎo)體,作相似的討論,在受主濃度一定時(shí),隨著溫度升高,費(fèi)米能級(jí)從在受主能級(jí)以下逐漸上升到禁帶中線處,而載流子則從以受主電離為主要來源轉(zhuǎn)化到以本征激發(fā)為主要來源.當(dāng)溫度一定時(shí),費(fèi)米能級(jí)的位置由雜質(zhì)濃度所決定,例如n型半導(dǎo)體,隨著施主濃度的增加,費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向?qū)У追较?對(duì)于p型半導(dǎo)體,隨著受主濃度的增加費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向價(jià)帶頂附近.這說明,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中,費(fèi)米能級(jí)的位置不但反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電類型,而且還反映了半導(dǎo)體的摻雜水平.對(duì)于n型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以上,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越高.對(duì)于p型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于中線以下,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越低.◆課程難點(diǎn): 根據(jù)電中性方程導(dǎo)出各個(gè)溫度區(qū)間的費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度表達(dá)式.雜質(zhì)電離程度與溫度,摻雜濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān),溫度高,電離能小,有利于雜質(zhì)電離.但雜質(zhì)濃度過高,則雜質(zhì)不能充分電離.通常所說的室溫下雜質(zhì)全部電離,實(shí)際上忽略了雜質(zhì)濃度的限制.◆基本概念: 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子(多子和少子):半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴,n型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主,電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度,故稱電子為n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子,簡稱多子,空穴為n型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子,簡稱少子;對(duì)于p型半導(dǎo)體,空穴為多子,電子為少子.平衡少子濃度正比于本征載流子濃度的平方,對(duì)于n型半導(dǎo)體,由可得少子濃度,它強(qiáng)烈的依賴于溫度的變化.◆基本要求: 能夠?qū)懗鲋粨诫s一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的一般性電中性方程,若只有施主雜質(zhì)時(shí),為,若只有受主雜質(zhì)時(shí)為本征激發(fā)可以忽略的情況下,例如室溫區(qū),電中性條件為;當(dāng)溫度較高,雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略時(shí),電中性條件為,在這種情況下,應(yīng)和聯(lián)立,方可解出和.能夠較熟練地計(jì)算室溫下地載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)(n型和p型)在摻雜濃度一定地情況下,能夠解釋多子濃度隨溫度地變化關(guān)系.§3.5 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 ◆本節(jié)內(nèi)容: 電中性方程的一般形式及費(fèi)米能級(jí) 用解析法求解咋了濃度及費(fèi)米能級(jí) ◆課程重點(diǎn): 一般情況下,半導(dǎo)體既含有施主雜質(zhì),又含有受主雜質(zhì),在熱平衡狀態(tài)下,電中性方程為,此式的意義是:同時(shí)含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)情況下,半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的負(fù)電荷數(shù)(導(dǎo)帶電子濃度與電離受主濃度之和)等于單位體內(nèi)的正電荷數(shù)(價(jià)帶空穴濃度與電離施主濃度之和).施主濃度大于受主濃度情況下,分析載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系.◆課程難點(diǎn): 在不同的溫度區(qū)間分析載流子密度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系溫度區(qū)間的劃分不是我們傳統(tǒng)意義的以溫度的數(shù)值范圍來劃分,而是通過相關(guān)參量的比較,把要討論的整個(gè)溫度范圍劃分為極低溫區(qū),低溫區(qū)……本征激發(fā)區(qū).注意兩個(gè)電中性方程的適用條件:雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)可以忽略,即時(shí),電中性方程為,(原始方程為).雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略即摻雜濃度與的數(shù)值相近,或由于溫度升高使數(shù)值增大而導(dǎo)致與相近時(shí),電中性方程為(原始方程為,式中,).使用上述兩個(gè)電中性方程時(shí),關(guān)鍵要判斷是否要考慮本征激發(fā)對(duì)電中性方程的影響.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體同時(shí)含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)情況下電中性方程的一般表達(dá)式,能較熟練地分析和計(jì)算半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí).§3.6 簡并半導(dǎo)體 degenerate semiconductor ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 簡并半導(dǎo)體的載流子濃度 1.1導(dǎo)帶電子濃度 1.2 價(jià)帶空穴濃度 2 簡并化條件 2.1 簡并化條件

2.2 界簡并情況下的雜質(zhì)濃度 2.3 簡并化溫度范圍

簡并半導(dǎo)體雜質(zhì)不能充分電離 雜質(zhì)帶導(dǎo)電 ◆課程重點(diǎn): 簡并半導(dǎo)體的載流子濃度:對(duì)于n型半導(dǎo)體,施主濃度很高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶時(shí),導(dǎo)帶底附近底量子態(tài)基本上已被電子占據(jù),導(dǎo)帶中底電子書目很多,的條件不能成立,必須考慮泡利不相容原理的作用.這時(shí),不能再用玻耳茲曼分布函數(shù),必須用費(fèi)米分布函數(shù)來分析導(dǎo)帶中電子的分布問題.這種情況稱為載流子的簡并化.發(fā)生載流子簡并化的半導(dǎo)體稱為基本半導(dǎo)體,對(duì)于p型半導(dǎo)體,其費(fèi)米能級(jí)接近價(jià)帶頂或進(jìn)入價(jià)帶,也必須用費(fèi)米分布函數(shù)來分析價(jià)帶中空穴的分布問題.簡并時(shí)的雜質(zhì)濃度:對(duì)n型半導(dǎo)體,半導(dǎo)體發(fā)生簡并時(shí),摻雜濃度接近或大于導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度;對(duì)于雜質(zhì)電離能小的雜質(zhì),則雜質(zhì)濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡并.對(duì)于p型半導(dǎo)體,發(fā)生簡并的受主濃度接近或大于價(jià)帶頂有效狀態(tài)密度,如果受主電離能較小,受主濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡并.對(duì)于不同種類的半導(dǎo)體,因?qū)У子行顟B(tài)密度和價(jià)帶頂有效密度各不相同.一般規(guī)律是有效狀態(tài)密度小的材料,其發(fā)生簡并的雜質(zhì)濃度較小.◆課程難點(diǎn):半導(dǎo)體發(fā)生簡并對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍:用圖解的方法可以求出半導(dǎo)體發(fā)生簡并時(shí),對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍.這個(gè)溫度范圍的大小與發(fā)生簡并時(shí)的雜質(zhì)濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān):電離能一定時(shí),雜質(zhì)濃度越大,發(fā)生簡并的溫度范圍越大;發(fā)生簡并的雜質(zhì)濃度一定時(shí),雜質(zhì)電離能越小,簡并溫度范圍越大.◆基本概念: 簡并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離:通過分析計(jì)算,室溫下,n型硅摻磷,發(fā)生簡并的磷雜質(zhì)濃度,經(jīng)計(jì)算,電離施主濃度,因此硅中只有8.4%的雜質(zhì)是電離的,故導(dǎo)帶電子濃度.盡管只有8.4%的雜質(zhì)電離,但摻雜濃度較大,所以電子濃度還是較大.簡并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離的原因:簡并半導(dǎo)體電子濃度較高,費(fèi)米能級(jí)較低摻雜時(shí),遠(yuǎn)在施主能級(jí)之上,使雜質(zhì)電離程度降低(參閱§3.4 雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴)雜質(zhì)帶導(dǎo)電:在非簡并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度不算很大,雜質(zhì)原子間距離比較遠(yuǎn),它們間的相互作用可以忽略.被雜質(zhì)原子束縛的電子在原子之間沒有共有化運(yùn)動(dòng),因此在禁帶中形成孤立的雜質(zhì)能級(jí).但是在重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度很高,雜質(zhì)原子互相間很靠近,被雜質(zhì)原子束縛的電子的波函數(shù)顯著重疊,雜質(zhì)電子就有可能在雜質(zhì)原子之間產(chǎn)生共有化運(yùn)動(dòng),從而使孤立的雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為能帶,通常稱為雜質(zhì)能帶.雜質(zhì)能帶中的雜質(zhì)電子,可以通過雜質(zhì)原子之間的共有化運(yùn)動(dòng)參加導(dǎo)電的現(xiàn)象稱為雜質(zhì)帶導(dǎo)電.簡并化條件:簡并化條件是人們的一個(gè)約定,把與的相對(duì)位置作為區(qū)分簡并化與非簡并化的標(biāo)準(zhǔn),一般約定: , 非簡并 , 弱簡并 , 簡并

注意:學(xué)過本節(jié)之后,在做習(xí)題時(shí),首先要判斷題目中給出的半導(dǎo)體材料是否發(fā)生弱簡并或簡并.然后才能確定采用相應(yīng)的有關(guān)公式進(jìn)行解題.◆基本要求: 對(duì)簡并化半導(dǎo)體有最基本的認(rèn)識(shí),其主要特點(diǎn)是摻雜濃度高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶.能夠分析半導(dǎo)體是否發(fā)生簡并化和計(jì)算簡并化半導(dǎo)體的載流子濃度.了解簡并化對(duì)能帶的影響及簡并半導(dǎo)體的基本應(yīng)用:簡并化半導(dǎo)體由于雜質(zhì)帶的產(chǎn)生會(huì)使禁帶寬度變小;簡并化半導(dǎo)體的基本應(yīng)用之一是用來制造隧道二極管,p-n結(jié)兩側(cè),n型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶,p型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶(可參閱第六章最后一節(jié)).第三章思考題與自測題: 1.半導(dǎo)體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài) 其物理意義如何.2.什么叫統(tǒng)計(jì)分布函數(shù) 費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布的函數(shù)形式有何區(qū)別 在怎樣的條件下前者可以過渡到后者 為什么半導(dǎo)體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述

3.說明費(fèi)米能級(jí)的物理意義.根據(jù)費(fèi)米能級(jí)位置如何計(jì)算半導(dǎo)體中電子和空穴濃度 如何理解費(fèi)米能級(jí)是摻雜類型和摻雜程度的標(biāo)志

4.證明,在時(shí),對(duì)費(fèi)米能級(jí)取什么樣的對(duì)稱形式

5.在半導(dǎo)體計(jì)算中,經(jīng)常應(yīng)用這個(gè)條件把電子從費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)過渡到玻耳茲曼統(tǒng)計(jì),試說明這種過渡的物理意義.6.寫出半導(dǎo)體的電中性方程.此方程在半導(dǎo)體中有何重要意義 7.若n型硅中摻入受主雜質(zhì),費(fèi)米能級(jí)升高還是降低 若溫度升高當(dāng)本征激發(fā)起作用時(shí),費(fèi)米能級(jí)在什么位置 為什么

8.如何理解分布函數(shù)與狀態(tài)密度的乘積再對(duì)能量積分即可求得電子濃度

9.為什么硅半導(dǎo)體器件比鍺器件的工作溫度高

10.當(dāng)溫度一定時(shí),雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)主要由什么因素決定 試把強(qiáng)n,弱n型半導(dǎo)體與強(qiáng)p,弱p半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比較.11.如果向半導(dǎo)體中重?fù)绞┲麟s質(zhì),就你所知會(huì)出現(xiàn)一些什么效應(yīng)

第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象)引言: 本章主要討論載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象),載流子在電場中的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率,電導(dǎo)率,散射機(jī)構(gòu)及強(qiáng)電場效應(yīng).§4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)形式 1.1 無規(guī)則運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))1.2 有規(guī)則運(yùn)動(dòng)(定向運(yùn)動(dòng))2 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 2.1 歐姆定律的微分形式 2.2 載流子的遷移率

3 半導(dǎo)體中的電位差引起能帶傾斜 ◆課程重點(diǎn): 在半導(dǎo)體中,常遇到電流分布不均勻的情況,即流過不同截面的電流強(qiáng)度不相等.所以,通常用電流密度來描述半導(dǎo)體中的的電流.電流密度是指通過垂直于電流方向的單位面積的電流,根據(jù)熟知的歐姆定律可以得

物理學(xué)教案設(shè)計(jì) 物理教案簡案篇二

物理學(xué)

學(xué)科：理學(xué)

門類：物理學(xué)類

專業(yè)名稱：物理學(xué)

業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)：本專業(yè)培養(yǎng)掌握物理學(xué)的基本理論與方法，具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，能在物理學(xué)或相關(guān)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中從事科研、

教學(xué)

業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，接受運(yùn)用物理知識(shí)和方法進(jìn)行科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)訓(xùn)練，獲得基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究的初步訓(xùn)練，具備良好的科學(xué)素養(yǎng)和一定的科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)能力。

畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：

1．掌握數(shù)學(xué)的基本理論和基本方法，具有較高的數(shù)學(xué)修養(yǎng)；

2．掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的、系統(tǒng)的物理學(xué)基礎(chǔ)理論及較廣泛的物理學(xué)基本知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)方法，具有一定的基礎(chǔ)科學(xué)研究能力和應(yīng)用開發(fā)能力；

3．了解相近專業(yè)的一般原理和知識(shí)；

4．了解物理學(xué)發(fā)展的前沿和科學(xué)發(fā)展的總體趨勢(shì)；

5．了解國家科學(xué)技術(shù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等有關(guān)政策和法規(guī)；

6．掌握資料查詢、文獻(xiàn)檢索及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；具有-定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，歸納、整理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫論文，參與學(xué)術(shù)交流的能力。

主干學(xué)科：物理學(xué)

主要課程：高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、理論力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、固體物理學(xué)、結(jié)構(gòu)和物性、計(jì)算物理學(xué)入門等。

主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)：包括生產(chǎn)實(shí)習(xí)，科研訓(xùn)練，畢業(yè)論文等，一般安排10-20周。

修業(yè)年限：四年

授予學(xué)位：理學(xué)學(xué)士

開設(shè)院校

全部高校>> 北京工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 北京交通大學(xué) 中央民族大學(xué) 遼寧大學(xué) 北京大學(xué) 云南大學(xué) 河北工業(yè)大學(xué) 中國人民大學(xué) 北京師范大學(xué) 內(nèi)蒙古大學(xué) 長安大學(xué) 武漢大學(xué) 北京航空航天大學(xué) 河北大學(xué) 大連海事大學(xué) 西北大學(xué) 湖南大學(xué) 北京郵電大學(xué) 河北科技大學(xué)

物理學(xué)教案設(shè)計(jì) 物理教案簡案篇三

牛頓第一定律教案

（一）引入新課

開門見山，闡述課題：前面幾章學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)和力基礎(chǔ)知識(shí)，這一章開始我們研究力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。第一節(jié)課我們來學(xué)習(xí)牛頓第一定律。

（二）進(jìn)行新課

教師活動(dòng)：多媒體播放古代人勞動(dòng)的漫畫：

邊播放邊說，人推車走，不推車停，由此看來必須有力作用在物體上，物體才運(yùn)動(dòng)，沒有力作用在物體上，物體就不運(yùn)動(dòng)——這是兩千多年前亞里士多德說的，不是我說的。是這樣嗎？

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生觀看漫畫：人推著車子，汗流俠背，推車的人放下車，一邊擦汗，一邊嘆氣。通過看漫畫思考問題。

教師活動(dòng)：下面你就利用桌子上的器材來研究一下這個(gè)問題。讓學(xué)生利用桌子上的器材，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別研究： l、力推物動(dòng)，力撤物停。

2、力撤物不停。

教師巡回指導(dǎo)，提出問題：物體的運(yùn)動(dòng)是不是一定需要力？ 學(xué)生活動(dòng)：利用桌子上的器材：小車、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺。做實(shí)驗(yàn)：

1、桌子上鋪毛巾，小車放在毛巾上，推它就動(dòng)，不推就停。

2、撤去毛巾，讓小車在桌面上，推一下小車，小車運(yùn)動(dòng)一段才停下來。

教師活動(dòng)：你還能舉出其他的例子來說明這個(gè)問題嗎？ 剛才的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為什么會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象呢？矛盾出在哪呢？

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生舉例討論，比如：自行車蹬一段時(shí)間后停止蹬車，自行車會(huì)滑行一段距離；溜冰；冰面上踢出去的冰塊。等等。

點(diǎn)評(píng)：通過舉例進(jìn)一步理解物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持。教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行邏輯推理，如果接觸面非常光滑沒有摩擦，那小球會(huì)怎樣？ 學(xué)生活動(dòng)：用小球做對(duì)比實(shí)驗(yàn)

a、使斜槽和桌面吻合，讓小球從斜槽上滾下，標(biāo)出滾動(dòng)距離。b、在桌面上放玻璃板，使斜槽和玻璃板吻合，讓小球從同樣的高度滾下，標(biāo)出滾動(dòng)的距離。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，接觸面越光滑，滾動(dòng)距離越遠(yuǎn)。［

總結(jié)

點(diǎn)評(píng)：

1、對(duì)比實(shí)驗(yàn)，找出問題的本質(zhì)．從而理解物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系．

2、在對(duì)比實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的邏輯推理． 教師活動(dòng)：在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步總結(jié)：（并板書）物體的運(yùn)動(dòng)是不需要力來維持的。（力撤物停的原因是因?yàn)槟Σ亮ΑＨ绻麤]有摩擦力，運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去）。最早發(fā)現(xiàn)這一問題的科學(xué)家是伽利略。伽利略是怎么研究這個(gè)問題的呢？

教師活動(dòng)：邊介紹邊用多媒體播放伽利略的理想實(shí)驗(yàn)。要?jiǎng)討B(tài)出以下效果：

（1）對(duì)稱斜面，沒有摩擦小球滾到等高。

（2）減小另一側(cè)斜面傾角，小球從同一位置釋放要滾到等高，滾動(dòng)距離就會(huì)越遠(yuǎn)。

（3）把另側(cè)斜面放平，小球要到等高，就會(huì)一直滾下去。根據(jù)這一現(xiàn)象伽利略得出了什么樣的結(jié)論？ 學(xué)生活動(dòng)：觀察并回答提出的問題： 運(yùn)動(dòng)的物體如果不受力物體將勻速運(yùn)動(dòng)下去。

點(diǎn)評(píng)：通過觀察伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生在研究科學(xué)問題時(shí)大膽的設(shè)想和科學(xué)的推理都是很有必要的。教師活動(dòng)：用氣墊導(dǎo)軌消除摩擦。讓滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，利用光電門測出滑塊在不同位置的速度。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生記錄數(shù)據(jù)并比較。確信他的正確性。教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)、總結(jié)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。讓學(xué)生閱讀課文找出： l、伽利略的觀點(diǎn)。

2、笛卡兒的補(bǔ)充和完善。

3、牛頓第一定律。

對(duì)比三個(gè)人的觀點(diǎn)，他們都是敘述力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的，誰的更全面？ 學(xué)生活動(dòng)：閱讀課文，回答問題。

1、伽利略：物體不受力時(shí)，運(yùn)動(dòng)的物體一直作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2、笛卡兒：物體不受力時(shí)，物體將永遠(yuǎn)保持靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

教師活動(dòng)：既然牛頓第一定律是最完善的，那么它從幾個(gè)方面闡述了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系？ 在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)：力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是指什么？

學(xué)生討論回答：兩個(gè)方面：不受力時(shí)，物體保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)；受力時(shí)，力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：速度的大小和方向。

點(diǎn)評(píng)：培養(yǎng)學(xué)生理解問題時(shí)能力。

教師活動(dòng)：牛頓第一定律可不可以用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證？ 什么時(shí)候可以看作不受力并舉例說明。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生回答不能。因?yàn)椴皇芰ψ饔玫奈矬w是不存在的。受力但合力為零時(shí)。比如：冰面上的滑動(dòng)的冰塊。冰壺球。點(diǎn)評(píng)：培養(yǎng)學(xué)生刨根問底的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。教師活動(dòng)：牛頓定律又叫慣性定律，慣性是指什么？ 你又怎樣理解這種性質(zhì)呢？舉例說明。

因?yàn)檫@是一個(gè)新概念，學(xué)生剛接受可能不是很好理解。通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步的理解。

在小車上放一高的木塊，讓小車在光滑的玻璃上運(yùn)動(dòng)，前面固定一物塊，當(dāng)車運(yùn)動(dòng)到物塊時(shí)被擋住，車上的木塊前傾。為什么？ 再如，人站在勻速行使的車廂內(nèi)豎直向上跳起，仍會(huì)落到原地。這都是慣性。

再讓學(xué)生舉例，學(xué)生就必然入門了。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生觀察并思考，再進(jìn)一步理解慣性：是指物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)。教師活動(dòng)：列舉慣性利用和危害的事例。

點(diǎn)評(píng)：通過生活中的例子進(jìn)一步理解慣性。教師活動(dòng)：進(jìn)一步總結(jié)：物體不受力時(shí)將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，理解時(shí)可認(rèn)為不受力和合力為零效果是一樣的，如果某個(gè)方向不受力，那么在這個(gè)方向物體也會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用物理規(guī)律解決問題的能力。

教師活動(dòng)：一切物體都具有保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，當(dāng)力使它改變這種狀態(tài)時(shí)，它就會(huì)有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的的“本領(lǐng)”。這個(gè)本領(lǐng)與什么有關(guān)呢？比如貨車啟動(dòng)時(shí)，由靜止到運(yùn)動(dòng)得需要一段時(shí)間，是空車好啟動(dòng)還是滿載時(shí)？你還能舉出什么例子來？ 學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生思考

比如騎自行車，單人時(shí)和帶人時(shí)的感覺相比。從實(shí)例可看出，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度與質(zhì)量有關(guān)。教師演示：彈簧穿過一細(xì)線與兩質(zhì)量不同的小車相連，剪斷細(xì)線，觀察小車的運(yùn)動(dòng)。

點(diǎn)評(píng)：通過生活中的一些例子理解慣性大小與質(zhì)量有關(guān)．

（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。教師要放開，計(jì)學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。

（四）實(shí)例探究 ☆對(duì)慣性的理解

1、被踢出去的冰塊在摩擦力可以忽略的冰面上運(yùn)動(dòng)受沒受向前的力？為什么能夠向前運(yùn)動(dòng)？

2、船在水中勻速行駛，一人站在船尾向上豎直跳起，它會(huì)落入水中嗎？為什么？

3、為什么跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員要助跑才能跳的遠(yuǎn)些？

4、在一向北勻速直線行駛的火車車廂中，一小球靜止在水平桌面上，當(dāng)坐在桌旁的人看到小球向南滾動(dòng)時(shí)，火車做什么運(yùn)動(dòng)？

物理學(xué)教案設(shè)計(jì) 物理教案簡案篇四

1、疏通文意，明確文言實(shí)詞、虛詞在文中的意思。

2、感受文章的內(nèi)容，體會(huì)人物的心情和個(gè)性特點(diǎn)，感受兄弟親情。

一、課堂學(xué)習(xí)

1、你認(rèn)為課文中哪些語句最能表達(dá)子猷與子敬的兄弟之情？“弦既不調(diào)”說明了什么，你理解“人琴俱亡”的含義了嗎？

2、王子猷是一個(gè)怎樣的人？你喜歡這個(gè)人物嗎？

3、課文描寫子猷先是“了不悲” “都不哭”，后又寫他“慟絕良久”，他前后的表現(xiàn)是否矛盾？為什么？

二、課外拓展：結(jié)合材料探究魏晉風(fēng)度

材料一：《傷逝十二》郗嘉賓(郗超)喪,左右白郗公:“郎 喪”既聞不悲,因語左右:“殯時(shí)可道?！惫R殯,一慟幾絕。

材料二：《雅量謝公》東晉名相謝安的侄子在前線與八十萬秦兵作戰(zhàn)，這一戰(zhàn)關(guān)乎國家危亡，大勝后派人急來報(bào)捷。謝安當(dāng)時(shí)正與客人下棋，看完后若無其事的繼續(xù)與客人慢慢下棋，客人問起也只淡淡地說小兒輩破大敵了?！@一戰(zhàn)關(guān)系到國之興亡、家之存絕，謝安不可能真的無動(dòng)于衷，只是越是激動(dòng)的重要時(shí)刻越平靜，才是超脫的風(fēng)度。

明確：《人琴俱亡》是《世說新語傷逝》第十六篇，結(jié)合其余十八篇來看，《人琴俱亡》作為其中一篇還是較為集中的體現(xiàn)了魏晉時(shí)期文人士大夫的某種思想性格特點(diǎn)及其文化特征——在任由性情、不拘矩度、注重情感的個(gè)性表達(dá)的同時(shí)，還故作曠達(dá)追求一種超脫的風(fēng)度，魏晉風(fēng)度。所以子猷的不悲不哭正好體現(xiàn)了魏晉時(shí)代士人獨(dú)特的思想情感追求——他們注重真性情，追求個(gè)性的自由飛揚(yáng)，同時(shí)又力求能擺脫世俗的一切利害得失、榮辱毀譽(yù)，尋求一種超然的風(fēng)度。為此，盡管子敬很悲痛，卻還是要強(qiáng)自抑制。

閱讀下面的文言文，完成題目。

（甲）王子猷、子敬俱病篤，而子敬先亡。子猷問左右：“何以都不聞消息？此已喪矣。”語時(shí)了不悲。便索輿來奔喪，都不哭。

子敬素好琴，便徑入坐靈床上，取子敬琴彈，弦既不調(diào)，擲地云：“子敬子敬，人琴俱亡。”因慟絕良久。月余亦卒。

（乙）魏武將見匈奴使，自以形陋，不足雄遠(yuǎn)國，使崔季硅代，帝自捉刀立床頭。既畢，令間諜問曰：“魏王如何？”匈奴使答曰：“魏王雅望非常；然床頭捉刀人，此乃英雄也?！蔽何渎勚?，追殺此使。

1、給下列字注音

猷()篤()慟()輿()

2、解釋加點(diǎn)詞的含義。

王子猷、子敬俱病篤（）（）子敬素好琴（）

何以都不聞消息（）（）此乃英雄也（）

3、用現(xiàn)代漢語疏通下列句子的意思，加點(diǎn)字的意思要力求譯準(zhǔn)。

（1）語時(shí)了不悲。

譯文：____________________________________________________________

（2）便索輿來奔喪。

譯文：____________________________________________________________

（3）便徑入坐靈床上。

譯文：____________________________________________________________

（4）因慟絕良久，月余亦卒。

譯文：____________________________________________________________

4、曹植有一首《七步詩》，和（甲）文都是寫 的，請(qǐng)你把它工整地寫在下面。

5、（甲）（乙）兩文都選自《世說新語》，（乙）文中的魏武就是曹操。文中的他是怎樣的形象？

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