一、課程說明

（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分

課程名稱：半導(dǎo)體器件物理

所屬專業(yè)：微電子科學(xué)與工程

課程性質(zhì)：專業(yè)必修課

學(xué)????分：4學(xué)分

（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)

【課程簡介】 ?本課程的適用對象是電子工程專業(yè)、微電子學(xué)專業(yè)的本科生，也可供對固體電子器件感興趣的學(xué)生和科技工作者作為參考讀本。本書的主要內(nèi)容是半導(dǎo)體器件（亦稱固體電子器件）的工作原理，基本涵蓋了所有的器件大類，反映了現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)理論、工作原理、二級效應(yīng)以及發(fā)展趨勢；同時對許多新型器件和制造技術(shù)也有所介紹。本課程在內(nèi)容的安排上力求使那些具有物理背景知識的高年級學(xué)生對專業(yè)知識有更為深入的理解，從而使他們能夠閱讀關(guān)于新器件及其應(yīng)用的參考文獻(xiàn)。

【目標(biāo)與任務(wù)】 ?本課程有兩個基本目標(biāo)和任務(wù)：一是對七大類半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性做全面深入的分析與闡述，對相關(guān)的半導(dǎo)體材料和制造工藝也有述及；二是介紹新型納電子器件及其基本分析方法，這樣既便于與電子線路和電子系統(tǒng)等相關(guān)課程銜接，也使學(xué)生具備分析、設(shè)計(jì)新型器件的基本能力和方法。

（三）先修課程與后續(xù)課程

本課程的先修課程包括：半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體物理學(xué)，微電子制造工藝。本課程是后續(xù)集成電路分析與設(shè)計(jì)、微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)等課程的基礎(chǔ)。

（四）教材與主要參考書

【課程教材】 ?（1）英文版：Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices（Seventh edition）, Pearson Education, Inc., 2015. ISBN 978-0-13-335603-8.（2）中文版：Ben G. Streetman著，楊建紅譯，《固體電子器件》，電子工業(yè)出版社，2016年（在版）。

【主要參考書】 ?施敏（美）著，耿莉譯，半導(dǎo)體器件物理，西安交通大學(xué)出版社，2013年。ISBN 978-7-5605-2596-9.

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二、課程內(nèi)容與安排

第1章?晶體性質(zhì)和半導(dǎo)體生長（略講，無計(jì)劃學(xué)時）

1-1 常用半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)

1-2 硅塊狀晶體生長

電子級硅（EGS）原料的制備；單晶Si的Czochralski制備方法；Si摻雜技術(shù)。

1-3 薄膜晶體生長

汽相外延（VPE）、金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積（MOCVD）以及分子束外延（MBE）技術(shù)簡介。

第2章?半導(dǎo)體的能帶與載流子（共6學(xué)時）

2-1 晶體能帶的形成

原子的殼層結(jié)構(gòu)與原子的能級；從原子能級到晶體能帶；金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶差異。

2-2 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、載流子

直接禁帶半導(dǎo)體（GaAs）和間接禁帶半導(dǎo)體（Si）；能帶性質(zhì)隨組分的變化；空穴的概念與性質(zhì)；載流子有效質(zhì)量；載流子動量、本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體、量子阱中的載流子。

2-3 載流子濃度

費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)、費(fèi)米能級；平衡載流子濃度、有效態(tài)密度、態(tài)密度有效質(zhì)量；載流子濃度隨雜質(zhì)濃度和溫度的變化；雜質(zhì)補(bǔ)償與空間電荷中性。

2-4 載流子在電場和磁場中的運(yùn)動

遷移率、電導(dǎo)率有效質(zhì)量；遷移率隨溫度和雜質(zhì)濃度的依賴關(guān)系；遷移率的高場效應(yīng)；Hall效應(yīng)。熱平衡條件下費(fèi)米能級的不變性。

第3章?半導(dǎo)體中的過剩載流子（共6學(xué)時）

3-1 載流子的產(chǎn)生和復(fù)合

過剩載流子；載流子的復(fù)合（直接復(fù)合和間接復(fù)合）；載流子的產(chǎn)生（穩(wěn)態(tài)）、準(zhǔn)費(fèi)米能級。

3-2 擴(kuò)散電流和漂移電流

擴(kuò)散過程、自建電場、愛因斯坦關(guān)系、擴(kuò)散和漂移電流分量。

3-3 穩(wěn)態(tài)條件下的載流子注入

連續(xù)性方程和擴(kuò)散方程；載流子分布；Haynes－Shockley實(shí)驗(yàn)；準(zhǔn)費(fèi)米能級的梯度。

第4章?pn結(jié)和金屬－半導(dǎo)體結(jié)（共16學(xué)時）

4-1 pn結(jié)熱平衡狀態(tài)

pn結(jié)的接觸電勢；pn結(jié)的耗盡區(qū)電荷。

4-2 pn結(jié)正向偏置和少子注入

結(jié)邊界的過剩載流子濃度；過剩載流子濃度在結(jié)兩側(cè)的分布；電子和空穴的擴(kuò)散電流以及pn結(jié)電流；過剩載流子的存貯電荷；耗盡區(qū)中的pn積。

4-3 pn結(jié)反向偏置和少子抽出

結(jié)邊界的過剩載流子濃度；過剩載流子濃度在結(jié)兩側(cè)的分布；耗盡區(qū)中的pn積；pn結(jié)的反向擊穿（齊納擊穿和雪崩擊穿、擊穿二極管）。

4-4 pn結(jié)的瞬態(tài)過程和反向恢復(fù)過程

存貯的過剩少子電荷隨時間的變化；反向恢復(fù)過程。

4-5 pn結(jié)電容

耗盡區(qū)電容和擴(kuò)散電容；變?nèi)荻O管。

4-6 對基本理論的修正

大注入條件；載流子在耗盡層中的產(chǎn)生與復(fù)合；歐姆損耗；緩變結(jié)。

4-7 金屬－半導(dǎo)體結(jié)和異質(zhì)結(jié)

肖特基勢壘和整流接觸；歐姆接觸；異質(zhì)結(jié)。

第5章?場效應(yīng)晶體管（共16學(xué)時）

5-1 場效應(yīng)晶體管的類型

5-2 結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）

溝道夾斷與電流飽和；夾斷電壓；I－V特性。

5-3 金屬－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）

GaAs MESFET；高電子遷移率晶體管（HEMT、MODFET、2－DEG FET、SEDFET）；JFET和MESFET的短溝效應(yīng)。

5-4 MOS電容結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)和工作原理、理想MOS電容（功函數(shù)、表面勢、閾值電壓）；實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)（功函數(shù)差和界面電荷的影響、閾值電壓）；MOS結(jié)構(gòu)的C－V分析（測量界面態(tài)密度）和C－t分析（測量載流子壽命）；MOS柵的I—V特性（Fowler－Nordheim隧道電流）。

5-5 MOSFET

輸出特性（ID—VD特性）；轉(zhuǎn)移特性（ID—VG特性）；遷移率模型；短溝MOSFET I－V特性；閾值電壓的控制（柵電極材料的選取、氧化層電容的控制、離子注入對閾值電壓的控制、襯底偏置）；亞閾特性、MOSFET的等效電路

5-6 MOSFET的物理效應(yīng)

按比例縮小和熱載流子效應(yīng)；漏極誘導(dǎo)勢壘降低效應(yīng)；短溝和窄溝效應(yīng)；柵極誘導(dǎo)漏極泄露電流。

第6章?雙極結(jié)型晶體管（共14學(xué)時）

6-1 BJT的基本工作原理

6-2 BJT的放大作用

發(fā)射極注入效率；基區(qū)輸運(yùn)因子；電流傳輸系數(shù)；共射（基）極電流放大因子；BJT的制造工藝。

6-3 BJT基區(qū)少子分布和端電流

基區(qū)少子分布；端電流。

6-4 BJT端電流的近似表達(dá)式、電流放大系數(shù)的近似表達(dá)式。

6-5 BJT的廣義偏置狀態(tài)

正向作用模式和反向作用模式；端電流的Ebers－Moll方程；電荷控制分析法。

6-6 BJT的開關(guān)特性

截止?fàn)顟B(tài)；飽和狀態(tài)。

6-7 關(guān)于BJT某些重要的物理效應(yīng)

不均勻摻雜基區(qū)；基區(qū)縮短效應(yīng)（Early效應(yīng)）；雪崩擊穿；大注入效應(yīng)和熱效應(yīng)；基區(qū)電阻和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)；Kirk效應(yīng)。

6-8 BJT的Gummel－Poon電路模型

6-9 限制BJT工作頻率的主要因素

結(jié)的充放電時間；載流子的渡越時間；Webster效應(yīng)；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）工作頻率高的原因。

第7章?光電子器件（共4學(xué)時）

7-1 光電二極管

受到光照時pn結(jié)的I－V特性、光生伏特效應(yīng)；太陽能電池；光探測器。

7-2 發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光材料；通信用光纖及其特性；多層膜異質(zhì)結(jié)LED。

7-3 激光器的工作原理

7-4 半導(dǎo)體激光器

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；pn結(jié)激光器的發(fā)光光譜；基本半導(dǎo)體激光器；異質(zhì)結(jié)激光器；半導(dǎo)體激光器的材料。

第8章?負(fù)電導(dǎo)微波器件（共4學(xué)時）

8-1 隧道二極管。

8-2 碰撞雪崩渡越時間二極管（IMPATT）

8-3 電子轉(zhuǎn)移器件（Gunn二極管）

電子轉(zhuǎn)移機(jī)制；空間電荷疇的形成及其運(yùn)動。

第9章?高頻、大功率及納電子器件（共6學(xué)時）

9-1 pnpn二極管

基本結(jié)構(gòu)、雙晶體管模型；正向阻斷態(tài)；導(dǎo)通態(tài)；觸發(fā)機(jī)制。

9-2 半導(dǎo)體可控整流器（SCR）

柵控作用和關(guān)斷特性。

9-3 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

9-4 納電子器件

低維結(jié)構(gòu)及其基本性質(zhì)；自旋存儲器件；阻變存儲器件。

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（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配

【教學(xué)方法】

（1）?雙語教學(xué)：采用英文講稿與板書，中文講解。

（2）?多媒體教學(xué)：采用PowerPoint講稿（英文）和Movie資料演示。

（3）?課堂組織：主要是課堂講授（約64學(xué)時），對某些主題采用課堂討論形式（約8學(xué)時），討論的主題采用Problem Based Learning方法確定。

（4）?習(xí)題與作業(yè)：布置課后作業(yè)（約75道習(xí)題），共性問題集中解答。

【學(xué)時分配】

本課程共72學(xué)時。第1－3章以《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程內(nèi)容作為基礎(chǔ)，只做概略性講授，占12學(xué)時。第2章不講。第4－10章（第9章除外）是本課的主要內(nèi)容，占60學(xué)時。第9章關(guān)于集成電路的內(nèi)容有專門課程講授，本課程中可不講。各章節(jié)的具體課時分配見“課程內(nèi)容與安排”。

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（二）內(nèi)容及基本要求

【主要內(nèi)容】

第1-4章是關(guān)于半導(dǎo)體材料及其生長技術(shù)、量子力學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體能帶以及過剩載流子方面的內(nèi)容。第5-10章是關(guān)于各種電子器件和集成電路的結(jié)構(gòu)、工作原理以及制造工藝等內(nèi)容，包括：p-n結(jié)、金屬-半導(dǎo)體結(jié)、異質(zhì)結(jié)；場效應(yīng)晶體管（JFET、MESFET、MOSFET）；雙極結(jié)型晶體管（BJT、HBT）；光電子器件（太陽電池、光探測器、LED、激光器）；高頻、大功率及納電子器件（隧道二極管、IMPATT二極管、Gunn二極管、SCR、IGBT、新型納電子器件）。第9章介紹CMOS制造工藝，從器件物理角度介紹了SRAM、DRAM、CCD、閃存等集成器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。

【掌握】

（1）?半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)（晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、典型用途）；

（2）?半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)；

（3）?各種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理以及特性：pn結(jié)/金屬半導(dǎo)體結(jié)，雙極結(jié)型晶體管（BJT），結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET），金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET/MOSFET），光電子器件，負(fù)電導(dǎo)微波器件，功率半導(dǎo)體器件，納電子器件；

（4）?器件物理效應(yīng)：短溝道效應(yīng)，高場效應(yīng)，熱載流子效應(yīng)，CMOS集成器件和集成電路與技術(shù)；GaN、SiC LED和VCSEL、APD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

【一般掌握】

（1）?新型電子材料與新型微納結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)，包括量子點(diǎn)、量子線和層狀晶體；

（2）?納電子器件的基本原理，包括自旋存儲器、阻變存儲器和相變存儲器；

（3）?器件結(jié)構(gòu)與工藝技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢。