| 課程名稱 |
(中文) 材料電子特性 (英文) Electronic Properties Of Materials |
開課單位 | 材料工程學系 | ||
| 課程代碼 | T3670 | ||||
| 授課教師 | 蔡五湖 | ||||
| 學分數 | 3.0 | 必/選修 | 選修 | 開課年級 | 大三 |
| 先修科目或先備能力：普通物理、微積分 | |||||
| 課程概述與目標： 本課程主要探討常見金屬、半導體材料的電子特性。例如金屬與半導體材料的自由電子的導電、導熱特性。從費米統計開始，深入淺出地處理自由電子的能帶結構、費米能階、導電載子的能態、密度、遷移率等等基本物理量的定義與應用。並且從晶體結構、倒易晶格到能帶理論、主次載子的運動、複合等行為對導電特性的影響。並就半導體的元件如肖特基障壁二極體、p-n 界結二極體、太陽電池等等常見的電子元件的結構、特性、以及其一般的應用進行說明。其目標在於讓學習者能夠了解金屬與半導體等固態材料的電子特性、基礎物理的解釋與公式的推導、以及常見電子元件的構造、基本工作原理等等有用的知識的學習。 | |||||
| 教科書 | 圖書館電子資料庫英文電子書 2006 Springer Science 資料庫電子書 書名："Semiconductor Physical Electronics" 2nd Edition 作者：Sheng S. Li (Department of Electrical and Computer Engineering University of Florida) 書本來源：Springer Link 英文電子書資料庫 ISBN 10: 0-387-28893-7 ISBN 13: 978-0387-28893-2 |
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| 參考教材 | |||||
| 圖書館電子書 | 1. Hartmut Frey Hamid R. Khan Editors "Handbook of Thin-Film Technology" Springer Link 英文電子書資料庫 (ISBN 978-3-642-05429-7 and ISBN 978-3-642-05430-3). 2. K.M. Gupta • Nishu Gupta "Advanced Semiconducting Materials and Devices", Springer Link 英文電子書資料庫 (ISSN 1612-1317 ISSN 1868-1212). |
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| 課程大綱 | 學生學習目標 | 單元學習活動 | 學習成效評量 | 備註 | ||
| 週 | 單元主題 | 內容綱要 | ||||
| 1 | Chapter 00 Overview of Semiconductors | 1. Basic properties 2. Band structure 3. Carrier concentration 4. Recombination |
1. 對本課程進行通盤性的介紹。 2. 讓學生了解這學期中主要的課程的概述 3. 讓學生對學習本課程的主要目的有所認識 4. 引起學生的學習興趣 |
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| 2 | Chapter 01 Classification of Solids and Crystal Structure | 1.1 Introduction 1.2 The Bravais Lattice 1.3 The Crystal Structure 1.4 Miller Indices and Crystal Planes 1.5 The Reciprocal Lattice and Brillouin Zone 1.6 Types of Crystal Bindings 1.7 Defects in a Crystalline Solid |
1. 介紹固態材料的特性與晶體結構 2. 晶格的分類與基本特性 3. 晶格構造 4. 米勒指數的定義與其基本特性 5. 倒易晶格的定義與其基本特性 6. 晶體材料上的缺陷與其特性 |
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| 3 | Chapter 02 Lattice Dynamics | 2.1 Introduction 2.2 The One-Dimensional Linear Chain 2.3 Dispersion Relation for a Three-Dimensional Lattice 2.4 The Concept of Phonons 2.5 The Density of States and Lattice Spectrum 2.6 Lattice Specific Heat |
1. 讓學生認識一維、二維的晶格構造 2. 三維晶格的色散關係 3. 讓學生了解三維晶格中的聲子的定義與其基本特性 4. 晶格光譜上的狀態密度 5. 讓學生熟悉晶格的比熱問題 |
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| 4 | Chapter 03-1 Semiconductor Statistics | 3.1 Introduction 3.2 Maxwell–Boltzmann Statistics 3.3 Fermi–Dirac Statistics 3.4 Bose–Einstein Statistics 3.5 Statistics for the Shallow-Impurity States in a Semiconductor |
1. 讓學生了解古典統計的基礎 2. 讓學生認識近代物理的量子統計 4. 讓學生了解半導體上的淺雜質的狀態特性 |
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| 5 | Chapter 03-2 Free Electron Fermi Gas | 3.1 Bosons and Fermions 3.2 Metallic Solid 3.3 Free electron model 3.4 Energy Levels in One Dimension 3.5 Pauli exclusion principle 3.6 Effect of Temperature on the Fermi-Dirac Distribution 3.7 de Broglie matter wave hypothesis 3.8 Fermi temperature 3.9 Density of states 3.10 Heat Capacity of the Electron Gas 3.11 Experimental Heat Capacity of Metals 3.12 Electrical conductivity 3.13 Hall Effect |
1. 讓學生認識金屬的自由電子的特性 2. 金屬固體材料的特性 3. 讓學生了解金屬的自由電子模型的意義 4. 迪·布羅意物質波的假設與其意意 |
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| 6 | Chapter 04 Energy Band Theory | 4.1 Introduction 4.2 Basic Quantum Concepts and Wave Mechanics 4.3 The Bloch–Floquet Theorem 4.4 The Kronig–Penney Model 4.5 The Nearly Free Electron Approximation 4.6 The Tight-Binding Approximation. 4.7 Energy Band Structures for Some Semiconductors 4.8 The Effective Mass Concept for Electrons and Holes 4.9 Energy Band Structures and Density of States for Low-Dimensional Systems |
1. 讓學生了解能帶理論與相關物理概念 2. 半導體上電子與電洞的有效質量。 |
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| 7 | Chapter 05 Equilibrium Properties of Semiconductors | 5.1 Introduction 5.2 Densities of Electrons and Holes in a Semiconductor 5.3 Intrinsic Semiconductors 5.4 Extrinsic Semiconductors 5.5 Ionization Energies of Shallow- and Deep-Level Impurities 5.6 Hall Effect, Electrical Conductivity, and Hall Mobility 5.7 Heavy Doping Effects in a Degenerate Semiconductor |
讓學生能應用所學知識進行基礎的計算與理論推導 對本質型與外質摻雜型半導體有基本的認識並了解這些半導體材料的應用 |
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| 8 | Chapter 06 Excess Carrier Phenomenon in Semiconductors | 6.1 Introduction 6.2 Nonradiative Recombination: The Shockley–Read–Hall Model 6.3 Band-to-Band Radiative Recombination 6.4 Band-to-Band Auger Recombination 6.5 Basic Semiconductor Equations 6.6 The Charge-Neutrality Equation 6.7 The Haynes–Shockley Experiment 6.8 The Photoconductivity Decay Experiment 6.9 Surface States and Surface Recombination Velocity 6.10 Deep-Level Transient Spectroscopy Technique 6.11 Surface Photovoltage Technique |
1. 讓學生了解半導體上的多餘載子的行為與其影響 2. 讓學生認識在半導體上的各種電子電洞的複合過程 3. 讓學生具有基本的計算能力 |
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| 9 | Chapter 07 Transport Properties of Semiconductors | 7.1 Introduction 7.2 Galvanomagnetic, Thermoelectric, and Thermomagnetic Effects 7.3 Boltzmann Transport Equation 7.4 Derivation of Transport Coefficients for n-type Semiconductors |
1. 讓學生認識與了解半導體材料的一些磁電、熱電、熱磁等效應 2. 讓學生具有基本的公式應用能力 |
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| 10 | Chapter 10 Metal–Semiconductor Contacts | 10.1 Introduction 10.2 Metal Work Function and Schottky Effect 10.3 Thermionic Emission Theory 10.4 Ideal Schottky Contact 10.5 Current Flow in a Schottky Diode 10.6 Current–Voltage Characteristics of a Silicon and a GaAs Schottky Diode |
1. 讓學生認識一些常見的半導體元件及其應用 2. 讓學生學習這些半導體元件的基本工作原理 |
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教學要點概述： |
| 核心能力 | 期末考 | 期中考 | 作業 | |||
| 核心能力一 | 工科基礎：運用科學與工程原理於材料系統的能力 | 2/10 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 核心能力二 | 材料專業：對於材料的結構、性質、製程及性能等有統合性的瞭解 | 3/10 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 核心能力三 | 數據分析：具備實驗、統計和分析的能力，以解決材料選擇與設計所涉及之問題 | 1/10 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 核心能力四 | 了解問題：認識當代材料科技所面臨之挑戰與問題 | 2/10 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 核心能力五 | 持續學習：培養持續學習的習慣與能力 | 1/10 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 核心能力七 | 專業倫理：理解專業倫理及社會責任 | 1/10 | 1 | 1 | 1 | 1 |