半導體物理與器件教學大綱

半導體物理與器件（教學大綱）SemiconductorPhysicsandDevices課程編碼：12330540學分：課程類別：專業(yè)基礎(chǔ)課計劃學時：48其中講課：48實驗或?qū)嵺`：0上機：0適用專業(yè)：IC設(shè)計、電信推薦教材：尼曼（DonaldH.Neamen）著，趙毅強，姚素英。解曉東譯，《半導體物理與器件》（第3版），電子工業(yè)出版社，2010參考書目：D.A.Neamen，《SemiconductorPhysicsandDevices:BasicPrinciples》，清華出版社，2003R.T.Pierret著，黃如等譯，《半導體器件基礎(chǔ)》，電子工業(yè)出版社，2004劉恩科、朱秉升、羅晉生等，《半導體物理學》，西安交通大學出版社，2004黃昆、謝希德，《半導體物理學》，科學出版社，1958曾謹言，《量子力學》，科學出版社，1981謝希德、方俊鑫，《固體物理學》,上?？茖W技術(shù)出版社，1961課程的教學目的與任務(wù)本課程是集成電路專業(yè)的重要選修課之一。本課程較全面地論述了半導體的一些基本物理概念、現(xiàn)象、物理過程及其規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上選擇目前集成電路與系統(tǒng)的核心組成部分，如雙極型晶體管（BJT）、金屬－半導體場效應(yīng)晶體管（MESFET）和ＭOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等，作為分析討論的主要對象來介紹半導體器件基礎(chǔ)。學習和掌握這些半導體物理和半導體器件的基本理論和分析方法，為學習諸如《集成電路工藝》、《集成電路設(shè)計》等后續(xù)課程打下基礎(chǔ)，也為將來從事微電子學的研究以及現(xiàn)代VLSI與系統(tǒng)設(shè)計和制造工作打下堅實的理論基礎(chǔ)。課程的基本要求本課程要求學生掌握半導體物理和半導體器件的基本概念和基本規(guī)律，對于基礎(chǔ)理論，要求應(yīng)用簡單的模型定性說明，并能作簡單的數(shù)學處理。學習過程中，注意提高分析和解決實際問題的能力，并重視理論與實踐的結(jié)合。本課程涉及的物理概念和基本原理較多，為了加深對它們的理解，在各章節(jié)里都給學生留有一些習題或思考題，這些題目有的還是基本內(nèi)容的補充。也有少量的難度較大的題目，這樣的問題有利于擴大知識面和培養(yǎng)獨立思考能力。各章節(jié)授課內(nèi)容、教學方法及學時分配建議（含課內(nèi)實驗）第一章：固體晶格結(jié)構(gòu)建議學時：4學時[教學目的與要求]1、了解半導體材料的特性,掌握固體的基本結(jié)構(gòu)類型；2、掌握描述空間晶格的物理參量,了解原子價鍵類型；3、了解固體中缺陷與雜質(zhì)的類型；4、了解半導體材料的生長過程。[教學重點與難點]固體的基本結(jié)構(gòu)類型、空間晶格的物理參量[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：半導體材料第二節(jié)：固體類型第三節(jié)：空間晶格第四節(jié)：原子價鍵第五節(jié)：固體中的缺陷與雜質(zhì)第六節(jié)：半導體材料的生長第二章：量子力學初步建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握量子力學的基本原理，掌握波動方程及波函數(shù)的意義；2、掌握薛定諤波動方程在自由電子、無限深勢阱、階躍勢函數(shù)、矩形勢壘中應(yīng)用；3、了解波動理論處理單電子原子模型。[教學重點與難點]量子力學的基本原理、波動方程及波函數(shù)、薛定諤波動方程[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：量子力學的基本原理第二節(jié)：薛定諤波動方程第三節(jié):薛定諤波動方程的應(yīng)用第四節(jié):原子波動理論的延伸第三章：固體量子理論初步建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握能帶結(jié)構(gòu)的基本特點，掌握固體中電的傳導過程；2、掌握能帶結(jié)構(gòu)的三維擴展，掌握電子的態(tài)密度分布；3、掌握費密-狄拉克分布和玻耳茲曼分布。[教學重點與難點]能帶結(jié)構(gòu)、固體中電的傳導過程、能帶結(jié)構(gòu)的三維擴展，掌握電子的態(tài)密度分布、費密-狄拉克分布和玻耳茲曼分布[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：允帶與禁帶格第二節(jié)：固體中電的傳導第三節(jié)：三維擴展第四節(jié)：狀態(tài)密度函數(shù)第五節(jié)：統(tǒng)計力學第四章：平衡半導體建議學時：6學時[教學目的與要求]1、掌握本征載流字電子和空穴的平衡分布；2、掌握摻雜原子的作用，掌握非本征載流字電子和空穴的平衡分布；3、掌握完全電離和束縛態(tài)，掌握補償半導體平衡電子和空穴濃度；4、掌握費密能級隨摻雜濃度和溫度的變化。[教學重點與難點]本征、非本征載流字電子和空穴的平衡分布、摻雜、補償半導體平衡電子和空穴濃度、費密能級隨摻雜濃度和溫度的變化[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：半導體中的載流子第二節(jié)：摻雜原子與能級第三節(jié)：非本征半導體第四節(jié)：施主與受主的統(tǒng)計學分布第五節(jié)：電中性狀態(tài)第六節(jié)：費密能級的位置第五章：載流子輸運現(xiàn)象建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握載流子漂移運動的規(guī)律，掌握載流子擴散的規(guī)律；2、了解雜質(zhì)梯度分布規(guī)律，了解霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。[教學重點與難點]載流子漂移、擴散運動、雜質(zhì)梯度分布、霍爾效應(yīng)[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：載流子的漂移運動第二節(jié)：載流子擴散第三節(jié)：雜質(zhì)梯度分布第四節(jié)：霍爾效應(yīng)第六章：非平衡過剩載流子建議學時：6學時[教學目的與要求]1、掌握載流子產(chǎn)生與復(fù)合的規(guī)律，掌握連續(xù)性方程與擴散方程；2、掌握雙極輸運方程的推導與應(yīng)用，掌握準費密能級的確定；3、了解肖克萊-里德-霍爾復(fù)合理論及非本征摻雜和小注入的約束條件；4、了解表面態(tài)與表面復(fù)合速。[教學重點與難點]載流子產(chǎn)生與復(fù)合、連續(xù)性方程與擴散方程、雙極輸運方程、準費密能級[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：載流子的產(chǎn)生與復(fù)合第二節(jié)：過剩載流子的性質(zhì)第三節(jié)：雙極輸運第四節(jié)：準費密能級第五節(jié)：過剩載流子的壽命第六節(jié)：表面效應(yīng)第七章：PN結(jié)建議學時：2學時[教學目的與要求]1、掌握PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，掌握內(nèi)建電勢差與空間電荷區(qū)寬度；2、掌握勢壘電容與單邊突變結(jié)，了解線性緩變結(jié)與超突變結(jié)。[教學重點與難點]PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)、勢壘電容與單邊突變結(jié)[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)：零偏

第三節(jié)：反偏第四節(jié)：非均勻摻雜PN結(jié)第八章：PN結(jié)二極管建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握PN結(jié)內(nèi)電荷流動的定性描述，掌握擴散電阻與等效電路；2、掌握反偏產(chǎn)生電流正偏復(fù)合電流；3、了解結(jié)擊穿的物理圖像，了解關(guān)瞬態(tài)與開瞬態(tài)，了解隧道二極管的基本特征。[教學重點與難點]PN結(jié)內(nèi)電荷流動的定性描述、擴散電阻與等效電路、反偏產(chǎn)生電流正偏復(fù)合電流[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：PN結(jié)電流第二節(jié)：PN結(jié)的小信號模型

第三節(jié)：產(chǎn)生與復(fù)合電流第四節(jié)：結(jié)擊穿第五節(jié)：電荷存儲與二極管瞬態(tài)第六節(jié)：隧道二極管第九章：雙極晶體管建議學時：6學時[教學目的與要求]1、掌握雙極晶體管的工作原理，掌握少子的分布規(guī)律；2、了解有用因素及電流增益的數(shù)學表達式；3、掌握基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)及大注入效應(yīng)；4、了解Ebers-Moll模型及Gummel-Poon模型；5、了解延時因子的概念及晶體管截止頻率。[教學重點與難點]雙極晶體管的工作原理、少子的分布規(guī)律、基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)及大注入效應(yīng)[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：雙極晶體管的工作原理第二節(jié)：少子的分布第三節(jié)：低頻共基極電流增益第四節(jié)：非理想效應(yīng)第五節(jié)：等效電路模型第六節(jié)：頻率上限第十章：MOS場效應(yīng)管（1）建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握能帶圖、耗盡層厚度、功函數(shù)、平帶電壓、閾值電壓、電荷分布；2、掌握理想C-V特性及頻率特性；3、掌握MOSFET的結(jié)構(gòu)及電流--電壓關(guān)系的數(shù)學推導；4、了解小信號等效電路，了解CMOS制備技術(shù)。[教學重點與難點]理想C-V特性及頻率特性、MOSFET的結(jié)構(gòu)及電流--電壓關(guān)系的數(shù)學推導[授課方法]課堂教學[授課內(nèi)容]第一節(jié)：雙端MOS結(jié)構(gòu)第二節(jié)：電容—電壓特性第三節(jié)：MOSFET基本原理第四節(jié)：頻率限制特性第五節(jié)：CMOS技術(shù)第十一章：MOS場效應(yīng)管（2）建議學時：4學時[教學目的與要求]1、掌握亞