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1、半导体器件物理教学大纲 （2006版） 课程编码：07151022 学时数：56一、 课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。二、教学内容、要点和课时
2、安排第一章 半导体物理基础（复习）（2学时）第二节 载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节 简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节 载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节 载流子的输运一、漂移运动 迁移率 电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节 非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章 PN结（12学时）第一节 热平衡PN结一、PN结的概
3、念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程 （多媒体演示 图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poissons Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度 （利用耗尽近似）第二节 加偏压的结一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象第三节
4、理想结的直流电流-电压特性一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节 空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节 隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）第六节 特性的温度依赖关系一、反向饱和电流和温度的关系二、特性的温度依赖关系第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导 求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）三、变容二极管第八节 小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解
5、连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节 电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应 二、利用电荷控制方程求解 三、阶跃恢复二极管基本理论第十节 P-结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题23及相关习题第三章 双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体 图3.1）概述第二节 基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用 （多媒体Fig3.6）四、电流分量 （多媒体Fig3.7）五、电流增益
6、 （多媒体Fig3.8 3.9）第三节 理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益集电极电流关系第四节 爱拜耳斯-莫尔（）方程一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节 缓变基区晶体管一、 基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节 基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节 基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应 （EARLY效应）二、hFE和ICE0的改变第八节 晶体管的频率响应一、基本概
7、念：小信号共基极与共射极电流增益（，hfe），共基极截止频率和共射极截止频率（W ,W）,增益频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（336）、（365）和（366）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：B 、E 、C 、D及相关推导四、Kirk效应第九节 混接型等效电路一、参数：gm 、gbe 、CD 的推导二、等效电路图（图323）三、证明公式（385）、（386）第十节 晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：td 、tr 、tf 、ts三、解电荷控制方程求贮存时间ts第十一节 击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读 3.12 、3.13 、3.14第
8、四章 金属半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、MS结构的C-V特性及其应用第二节 界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节 镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节 肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节 肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器
9、二、肖特基势垒钳位晶体管第九节 欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节 理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节 静态特性一、线性区二、饱和区第四节 小信号参数和等效电路一、 参数：gl gml gm CG二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节 夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节 金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压
10、三、I-V特性第八节 和的类型一、N沟增强型 N沟耗尽型二、P沟增强型 P沟耗尽型阅读 5.8 5.9第六章 金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节 理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（61）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节 理想电容器一、基本假设二、CV特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义 公式（653）和（655）的推导第三节 沟道电
11、导与阈值电压一、定义二、公式（653）和（655）的推导第四节 实际MOS的电容电压特性一、 M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、 四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和CV曲线第五节 场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节 等效电路和频率响应一、参数：gd gm rd二、等效电路三、截止频率第七节 亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节 MOS场效应晶体管的类型一、 N沟增强型 N沟耗尽型二、 P沟增强型
12、P沟耗尽型第十节 器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V公式，I-V曲线图（比较：根据电流分量写出I-V公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V公式五、RS对I-V特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 Vmp
13、 Imp Pm二、效率的概念第五节 光产生电流和收集效率一、“P在N上”结构，光照，少子满足的扩散方程二、例11，求少子分布，电流分布三、计算光子收集效率：讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节 提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑 (多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节 肖特基势垒和太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点 阅读 7.8第九节 光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属半导体光电二极管第十节 光电二极管的特性参
14、数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章 发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节 的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节 的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率、辐射效率、内量子效率 ，逸出概率、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布 ，峰值半高宽 FWHM,峰值波长
15、 ，主波长 ，亮度第四节 可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-xPx LED三、GaN LED第五节 红外 LED一 、性能特点二、 应用 光隔离器阅读8.6 , 8.7 , 8.8 , 8.9 , 8.10(不做作业和考试要求)第九章 集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章 电荷转移器件（4学时）第一节 电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节 深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节 电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、 热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节 信息电荷的输运 转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率
16、和排空率第五节 电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、 二相CCD第六节 体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节 电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测 电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节 集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节 电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法 板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著 半导体器件物理，科学出版社 ，2005-6第二次印刷。2、S M
17、 Sze. 半导体器件:物理和工艺。王阳元、嵇光大、卢文豪译。北京：科学出版社，19923、S M Sze.现代半导体器件物理科学出版社 2001年6月第一次印刷4、爱得华S扬 半导体器件物理基础，卢纪译。北京：人民教育出版社，19815、刘文明 半导体物理学长春：吉林人民出版社，19826、孟宪章，康昌鹤.半导体物理学长春：吉林大学出版社，19937、R A史密斯. 半导体(第二版).高鼎三等译。北京：科学出版社，19878、Casey H C,Panish Jr M B.Heterostructure lasers.Academic Press,19789、Donald ANermen著半导体物理与器件 赵毅强，姚淑英，谢晓东译 电子工业出版社，2005年2月第一次印刷