固体物理教学大纲

课程编号MI2121006 课程名称固体物理 学时 54 课程类型必修 适用专业微电子学 开课学期4 固体物理教学大纲 英文名称Solid State Physics 学分3. 5 课程性质专业课 先修课程热力学与统计物理，量子力学 开课院系微电子学院 一、课程的教学目标与任务 目标建立固体物理学基本的概念和理论框架，为后续专业课程的学习奠定必要的基础。 任务掌握晶体结构、固体的结合、晶格振动与晶体的热学性质、能带理论、晶体中电 子在电场和磁场中的运动、金属电子论、晶体中的缺陷和扩散、相图等相关知识。 二、本课程与其它课程的联系和分工 先修课程为热力学与统计物理、量子力学等，后续课程包括半导体物理、半 导体器件电子学等。 三、课程内容及基本要求 （一）晶体结构（10学时） 具体内容固体的宏观性质及固体物理学的发展史；课程特点及教学内容安排，晶格实 例，晶格的周期性，晶向、晶面，倒格子和布里渊区，晶体的对称性。 1. 基本要求 （1）了解晶体的宏观性质以及常见晶体结构的原子组成和结构特点； （2）熟悉立方晶系中的三种布拉菲格子； （3）掌握立方晶系晶向和晶面的表示方法； 2. 重点、难点 重点立方晶系的三种B格子、金刚石结构的各向异性和解理性、倒格子和布里渊区。 难点密堆积结构、金刚石结构沿〈111〉晶向的双层原子面排列、倒格子基本性质及 其证明。 3. 说明结晶学理论是后续各章内容学习的基础。 （-）固体的结合（6学时） 具体内容离子性结合，共价结合，金属性结合，晶体结合的规律性。 1. 基本要求 （1）掌握原子结合的规律。 （2）掌握共价键的饱和性和方向性以及s杂化轨道理论。 （3）了解离子堆积与泡利规则。 2. 重点和难点 重点共价键的饱和性和方向性以及s杂化轨道理论。 难点离子堆积与泡利规则；混合晶体与电离度。 3. 说明与“晶体结构”部分的内容结合紧密，能够根据原子负电性和原子半径的差 异解释晶体结构的特点是这两部分内容学习的目的。 （三）晶格振动与晶体的热学性质（10学时） 具体内容简谐近似和简正坐标。一维单原子链模型，一维双原子链，声学波和光学波。 晶格振动。晶格热容的量子理论。 1. 基本要求 （1）熟悉一维单原子链和一维双原子链的物理模型，掌握声学波和光学波的概念及其 所反映的基元中原子的振动情况。 （2）掌握晶格振动模式密度的概念和推导。 （3）掌握晶格能量的求解方法和量子化修正，声子的概念和意义。 （4）掌握Eintein模型和Debye模型。 2. 重点、难点 重点格波、波矢，声学波和光学波，色散关系，谐振子和声子，晶格振动模式密度, 晶格热容，热传导。 难点晶格振动模式密度，能量量子化，U过程，非简谐效应。 3. 说明晶格振动理论是固体物理学重点内容之一，通过本章的学习可以从原子级的 角度加深对晶体热学性质的理解。 （四）能带理论（11学时） 具体内容固体中电子的共有化运动，能级分裂与能带，布洛赫定理，克龙尼克-潘纳 模型。近自由电子近似，定态非简并微扰和简并微扰。鹰势，紧束缚近似-原子轨道线 性组合法。能态密度和费米面；费米能级的意义；元素半导体和化合物半导体的能带结 构。 1. 基本要求 （1）掌握固体中电子运动的特点，掌握Bloch定理的特点及其推论。 （2）掌握近自由电子近似的定态非简并微扰和定态简并微扰的推导过程与结论。 （3）熟练掌握固体中电子波矢k的取值特点及取值范围；熟悉费米分布和玻尔兹曼分 布；掌握费米能级的概念和物理意义；了解元素半导体和化合物半导体能带结构 的特点。 2. 重点、难点 重点固体中电子的共有化运动，Bloch定理的特点、证明及其推论，近自由电子近 似微扰论，费密统计分布与费米能级，能态密度。 难点动量空间的薛定鳄方程，微扰论；布里渊区中的等能面。 3. 说明固体能带理论是本课程学习的重点，也是后续专业课程的必备基础。 （五）晶体中电子在电场和磁场中的运动（8学时） 具体内容准经典运动，恒定电场作用下电子的运动，Bloch电子运动；动量和加速度; 有效质量物理意义与各向异性。导体、绝缘体、半导体的能带，半导体中的导电机构。 功函数和接触电势，晶格散射和电导。 1. 基本要求 （1）了解有效质量的物理意义，掌握Bloch电子运动的速度和加速度。 （2）掌握半导体导电机构，空穴的概念及其物理意义。 2. 重点、难点 重点Bloch电子运动的速度和加速度，有效质量，半导体中的导电机构。 难点有效质量的各向异性，晶格散射，影响固体电导的各种因素。 3. 说明本章内容是能带理论的重要组成部分。 （六）晶体中的缺陷和扩散（4学时） 具体内容点缺陷，线缺陷、面缺陷和体缺陷，扩散和原子布朗运动。 1. 基本要求 了解固体中常见的缺陷，掌握原子扩散的机制。 2. 重点、难点 重点晶体中常见的点缺陷；位错和层错；晶体中原子扩散的机制和Fick定律。 难点螺旋位错；反肖特基缺陷和反结构缺陷；晶体中缺陷的有序化。 3. 说明通过控制引入缺陷的种类和数量从而调整和控制晶体的各种宏观性质是学习 晶体缺陷理论的意义所在，也是进行半导体器件和电路制造的重要方法之一。 （七）相图（5学时） 具体内容固体相，固溶体，固溶体的混合嫡和自由能；有限和连续固溶体。相变过程 实例。 1. 基本要求 （1）了解相图的基本涵义和基本理论； （2）了解铐硅固溶体相图、金-半共晶相图及相变规律。 2. 重点、难点 重点错硅固溶体相图、金-半共晶相图及相变规律。 难点错硅固溶体相图、金-半共晶相图及相变规律。 3. 说明了解相图的的有关知识对半导体器件的制作和特性分析有一定的指导作用。 四、教学安排及方式 总学时54学时,讲课47学时,多种形式教学七学时 教学环节 时数 课程内容 讲 课 实 验 习 题 课 讨 论 课 上 机 2切旦 看录像 5小 e 戈计 晶体结构 9 1 10 固体的结合 6 6 晶格振动与晶体的热学性质 9 1 10 能带理论 9 2 11 晶体中电子在电场和磁场中的运动 6 1 1 8 晶体中的缺陷和扩散 4 4 相图 4 1 5 五、考核方式 笔试（闭卷） 各教学环节占总分的比例平时测验及作业20,期末考试80 六、推荐教材与参考资料 1. 黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，北京高等教育出版社，1988。 2. 王矜奉编著，固体物理教程（第三版），济南山东大学出版社，2003 3. 阎守胜编著，固体物理基础，北京北京大学出版社，2000o 4. 宗祥福，翁渝民编著，材料物理基础，上海复