《半导体器件物理》教学大纲(精)

《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poisson’s 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）
P 结
第二节加偏压的N
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
P-结的直流电流-电压特性
第三节理想N
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）
I-特性的温度依赖关系
第六节V
一、反向饱和电流和温度的关系
I-特性的温度依赖关系
二、V
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
s
三、阶跃恢复二极管基本理论
第十节P-Ｎ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2－3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（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
Ebers-）方程
第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll
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、h FE和I CE0的改变
第八节晶体管的频率响应
一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），
共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或
称为特征频率（W T），
二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导
三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导
四、Kirk效应
第九节混接 型等效电路
一、参数：g m、g be 、C D的推导
二、等效电路图（图3－23）
三、证明公式（3－85）、（3－86）
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：t d、t r、t f、t s
三、解电荷控制方程求贮存时间t s
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、M－S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
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：g l g ml g m C G
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
三、I-V特性
第八节JFET和MESFET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（6－1）
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MOS电容器
一、基本假设
二、C～V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（6－53）和（6－55）的推导
第三节沟道电导与阈值电压
一、定义
二、公式（6－53）和（6－55）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C～V曲线
第五节MOS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：g d g m r d
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、R S 对I-V 特性的影响
第四节 太阳电池的效率
一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=in
L OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率
一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程
二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O n
pt col G J J Φ=η
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MIS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LED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LED的特性参数
一、I-V特性
二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、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，主波长，亮度
第四节可见光LED
一、GaP LED
二、GaAs1-x P x 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MOS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 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，1992
3、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，1981
5、刘文明《半导体物理学》长春：吉林人民出版社，1982
6、孟宪章，康昌鹤.《半导体物理学》长春：吉林大学出版社，1993
7、R A史密斯. 《半导体》(第二版).高鼎三等译。

北京：科学出版社，1987
8、Casey H C,Panish Jr M B.Heterostructure lasers.Academic Press,1978
9、Donald A·Nermen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。