0208096203《半导体器件物理》教学大纲

课程名称：半导体器件物理 课程编号：0208096203

学时数：60 学分数：3

课程类型：学位课 授课对象：硕士/博士

开课学院：集成电路科学与工程学院（示范性微电子学院）

先修课程：半导体物理、微电子器件

教材：半导体器件物理，施敏院士撰写，从工程上扩展

大纲撰写人：李泽宏、刘 洋 编写日期：2023.6 审核人：

一、教学目的

（1）知识目的：夯实研究生的器件物理基础，提升研究生的半导体器件物理的水平，在以微电子专业本科学习的基础上，通过本课程的学习，使学生掌握半导体基本方程和重点以硅为基础的二极管、三极管、JFET、MESFET和MOSFET的基本物理过程，理解上述器件应用中必须考虑的更深层次物理特性（如瞬态特性、热学特性等），了解上述器件的发展趋势。

（2）思政目的：(a) 通过学科的发展史，引入我国科学家对半导体器件物理学科的重要贡献，培养既热爱科学又有家国情怀和民族自信的中国芯人才；（b）将德育元素融入课程知识体系的讲授中，不仅加深学生理解课程知识体系，又在潜移默化中树立正确的世界观和价值观；（c）使学生深刻地意识到目前国内微电子行业的科学技术瓶颈所在，积极引导学生深入思考、干坐冷板凳，勇于挑战课程难点，提高学生对半导体器件物理基础问题的解决能力，培养对学科前沿发展的敏锐性。

二、教学内容与要求

课程总学时数：60学时

（一）教学内容、要求与重点难点

第一章：半导体器件的基本方程（10学时）

1. 教学内容：

第1节 半导体器件物理的发展（2学时）

半导体器件发展

半导体基本结构

新型半导体器件结构的解读

本节介绍半导体器件发展、半导体基本结构以及结合半导体基本结构等基础知识对新型半导体器件进行分析（获知其工作原理）。最后给出本课程的内容安排和考核方式。要求学生在学期末写一篇思政小论文。

思政要素：在绪论部分介绍美国对半导体芯片的封锁、中心/华为事件、半导体集成电路领域国内外的差距等现状，引出问题“中国未来芯” 的小伙伴到底要成为什么样的人，怎样做人？

第2节 半导体物理知识回顾（2学时）

半导体材料基本特性

电特性

光学特性

热学特性

本节主要对半导体物理相关知识进行复习，重点在材料相关特性（结构、缺陷、迁移率、电阻等）、电光特性。目的是夯实学生们（部分非本专业学生）的基础，为后续的学习奠定基础。

思政要素：讲解质量作用定律时引入舍得原理：有舍才有得。舍弃娱乐游戏时间，武装自己，好好学习，提升自己的综合实力，为毕业后深造或者就业打下良好的基础。

第3节 半导体基本方程（2学时）

方程物理含义

方程推导及变换

本节讲解半导体基本方程及方程的坐标变换等，帮助学生们深入了解方程所包含的物理层面的意义。

思政元素：我们需要掌握基本的研究方法和工具，后续学习才会得心应手。

第4节 半导体基本方程求解（4学时）

求解方法

边界条件

数值分析

解析分析

本节主要讲述半导体基本方程的求解，从边界条件入手，进行解析分析和数值分析。

2. 教学要求

掌握半导体物理中杂质、载流子浓度、导电性和非平衡载流子等相关理论。

掌握基本泊松方程、电流输运方程和连续性方程三个基本方程以及相关的变换。

了解数值法和解析法等基本方程的求解方法。

让学生认识到国内外在集成电路领域的差距，也认识到国家对发展集成电路产业的坚定决心，激励学生的爱国热情以及作为中国芯人的责任。

3. 教学重点与难点

教学重点：半导体物理基础理论和基本方程

教学难点：连续性方程以及方程的求解。

第二章：二极管（12学时）

1. 教学内容：

第1节 静态I-V特性（2学时）

本节主要讲述以Si PN结为主的I-V特性，要求学生们必须掌握。

此节思政：团结就是力量，众人拾柴火焰高

第2节 结击穿（2学时）

热不稳定性

隧穿

雪崩倍增

边缘效应

本节主要对结击穿进行讲解，包括热不稳定性、隧穿、雪崩倍增和边缘效应。要求学生们能结合所学内容对实际研制出的二极管击穿进行分析。

此节思政：过犹不及

第3节 瞬变特性与噪声（3学时）

瞬变特性

噪声

本节主要对二极管的瞬态特性进行讲解，由于二极管在应用中基本都是工作在瞬态情况，因此，该部分内容非常重要，要求学生们掌握。

此节思政：我们要增大信噪比，在学习生活中，多做增强自己实力的事情，少参与不利于自己成长和提升的事情。

第4节 端功能（5学时）

整流器

齐纳二极管

变容管

快恢复二极管

补充（光伏器件（太阳能电池 发光器件 探测器 耿氏震荡 霍尔器件）

本节主要对主要的二极管结构进行讲解，包括整流器、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和光电器件等器件。要求学生们对二极管的整体发展及二极管的重要性有一定的认识。

此节要求学生调研，二极管在实际生活中的应用，以实际应用为导向，提升学生理论联系实际的能力。

2. 教学要求

掌握二极管理想和非理想的I-V特性

掌握二极管的几种击穿机理以及击穿电压的计算

掌握瞬态特性，知道二极管作为开关使用，该如何降低瞬态时间

了解二极管在实际生活中的应用及其发展

3. 教学重点与难点

教学重点：I-V特性 击穿特性

教学难点：瞬态特性，存储时间和下降时间的求解。

第三章：三极管（10学时）

1. 教学内容

第1节 静态特性（4学时）

I-V特性

电流增益

输出特性

非线性效应

温度对器件特性的影响

本节对三极管的I-V特性、电流增益、输出特性和非线性效应进行讲解，重点是非线性效应的理解和掌握。

此节思政：注重团结协作的精神，在团结基础上分工协作才能发挥自己的聪明才智，做出更大的贡献。比如美国物理学家巴丁，因晶体管效应和超导两次获得诺贝尔奖。他的两次获奖都是通过和其他科学家合作而取得的。

第2节 微波特性（3学时）

截止频率

小信号特性

开关特性

本节对三极管的微波特性进行讲解，包括截止频率、小信号特性和开关特性。该三部分内容都是重点，要求学生们掌握。

第3节 相关器件及应用（3学时）

多晶结构三极管（多晶硅做发射极和基极）

功率三极管（起放大 开关作用）

本节主要讲述多晶结构三极管、功率三极管这两种种典型的相关结构器件。

2. 教学要求

掌握三极管的静态特性和微波特性

了解三极管相关器件在实际生活中的应用及其特点。

3. 教学重点与难点

教学重点：静态特性

教学难点：微波特性

第四章：金属-氧化物-半导体场效应管：MOSFET（20学时）

1. 教学内容

第1节 金属-氧化物-半导体场效应管发展历史（2学时）

MOSFET发展

MOSFET基本结构

新型FET

第2节 MOS电容特性（2学时）

理想MOS 特性

非理想MOS特性

MOS结构中的电荷层

基于MOS结构的阈值电压

此节思政：通过实验室设备维修经历，说明落后就得挨打，自己强大才是硬道理

第3节 长沟道MOSFET特性（4学时）

阈值电压推导

不同工作区公式推导

静态参数

第4节 埋沟道器件（2学时）

非均匀掺杂

埋沟器件特性

温度对器件特性的影响

此节思政：陈星弼院士的科研精神﹑爱国﹑创新等，以及陈院士对青少年的殷切希望

第5节 短沟道效应 （4学时）

器件按比例缩小

短沟道效应

短沟道效应可能的解决方法

此节涉及辩证看问题的思政元素

第6节 新型器件结构 （6学时）

器件结构对特性的影响

浮栅型存储器件（存储器只讲器件物理）

新型存储器件

FINFET

SOI

本章主要讲述金属-绝缘体-半导体结构、MOSFET器件的I-V特性、温度特性和不同器件结构的物理知识，掌握金属-绝缘体-半导体结构、MOSFET的I-V特性、非均匀掺杂、短沟道效应、相关器件结构。

此节思政：掌握基础理论，大胆创新

2. 教学要求

了解场效应管发展历史

复习掌握MOS电容特性

掌握长沟道MOSFET电学特性

掌握埋沟器件特性

掌握短沟道效应

了解新型结构的器件

3. 教学重点与难点

教学重点：MOSFET器件的工作原理和直流特性

教学难点：埋沟器件的特性

第五章：结型场效应管: JFET（4学时）

1. 教学内容

第1节 JFET （4学时）

静态I-V特性

动态特性

本章主要讲述JFET器件结构及I-V特性。

此节思政：另辟蹊径

2. 教学要求

掌握JFET器件的工作原理以及静态和动态特性。

3.教学难点与重点

教学重点：静态特性

教学难点：动态特性

第六章 调制掺杂场效应管：MODFET （4学时）

1. 教学内容

第1节 调制掺杂器件原理（1学时）

能带结构

二维电子气

第2节 I-V特性（1学时）

阈值电压

静态I-V特性

第3节 动态特性 （1学时）

高频特性

截止频率

本章主要讲述调制掺杂原理、MODFET器件结构、I-V特性等。

此节思政：性质决定用途

2. 教学要求

掌握调制掺杂场效应管的工作原理和静态I-V特性

3. 教学重点与难点

教学重点：调制掺杂器件的原理和I-V特性

教学难点：动态特性

三．课程作业安排情况

不定期随堂测验，一个学期大概安排5次随堂作业，当场做完就收，了解学生掌握基础知识同时也可以起到考勤作用

撰写思政小论文和调研报告

每章安排一次作业，课后完成。

四、教学方式

采用外文原版教材，多媒体方式授课，以课堂讲授方式为主。课程原则上不向学生提供文字型课件，强调学生听课笔记与总结归纳的能力。

五、考核方式与成绩评定

平时作业（每章一次作业）所占分数比例：20%；考核学生独立完成作业及对知识掌握程度；

思政小论文加调研报告共10分：考察学生思想高度以及知识扩展

不定期随堂测验10分：看学生的出勤率以及对知识掌握程度

期末考试占60%，采用开卷考试，主要考核学生对基本概念的把握程度以及分析问题和解决问题的能力。

原则上简答 计算 思考 （各2道题 一道10分），保证基础分60分

扩展2道（共10分）

六、教材及主要参考书目

[1] Physics of Semiconductor Devices（Third Edition, S.M.SZE/KWOK K. NG）, 2006, Wiley-Interscience Publication

[2] Physics of Semiconductor Devices（ S. M. Sze）, 2006, Wiley-Interscience Publication

[3] 半导体器件物理，（美）施敏，伍国钰（著）；耿莉，张瑞智（译），2008，西安交通大学出版社

[4]半导体器件物理（第2版），刘树林，商世广，柴常春，张华曹，编著，电子工业出版社

[5]半导体物理与器件（第4版），Donald A. Neamen（著），赵毅强，姚素英，史再峰（译），电子工业出版社

[6] 现代半导体器件物理，施敏，，2001，科学出版社

[7] 半导体物理学（第七版），刘恩科等， 2017，电子工业出版社

[8] 微电子器件，陈星弼等， 2018，电子工业出版社