兰州大学《固体电子器件》课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分

课程名称：半导体器件物理

所属专业：微电子科学与工程

课程性质：专业必修课

学    分：4学分

（二）课程简介、目标与任务

【课程简介】  本课程的适用对象是电子工程专业、微电子学专业的本科生，也可供对固体电子器件感兴趣的学生和科技工作者作为参考读本。本书的主要内容是半导体器件（亦称固体电子器件）的工作原理，基本涵盖了所有的器件大类，反映了现代半导体器件的基础理论、工作原理、二级效应以及发展趋势；同时对许多新型器件和制造技术也有所介绍。本课程在内容的安排上力求使那些具有物理背景知识的高年级学生对专业知识有更为深入的理解，从而使他们能够阅读关于新器件及其应用的参考文献。

【目标与任务】  本课程有两个基本目标和任务：一是对七大类半导体器件的结构、工作原理、特性做全面深入的分析与阐述，对相关的半导体材料和制造工艺也有述及；二是介绍新型纳电子器件及其基本分析方法，这样既便于与电子线路和电子系统等相关课程衔接，也使学生具备分析、设计新型器件的基本能力和方法。

（三）先修课程与后续课程

本课程的先修课程包括：半导体材料，半导体物理学，微电子制造工艺。本课程是后续集成电路分析与设计、微电子专业实验等课程的基础。

（四）教材与主要参考书

【课程教材】  （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，杨建红译，《固体电子器件》，电子工业出版社，2016年（在版）。

【主要参考书】  施敏（美）著，耿莉译，半导体器件物理，西安交通大学出版社，2013年。ISBN 978-7-5605-2596-9.

 

二、课程内容与安排

第1章 晶体性质和半导体生长（略讲，无计划学时）

1-1 常用半导体材料的晶体结构

1-2 硅块状晶体生长

电子级硅（EGS）原料的制备；单晶Si的Czochralski制备方法；Si掺杂技术。

1-3 薄膜晶体生长

汽相外延（VPE）、金属有机化学汽相沉积（MOCVD）以及分子束外延（MBE）技术简介。

第2章 半导体的能带与载流子（共6学时）

2-1 晶体能带的形成

原子的壳层结构与原子的能级；从原子能级到晶体能带；金属、绝缘体和半导体的能带差异。

2-2 典型半导体的能带结构、载流子

直接禁带半导体（GaAs）和间接禁带半导体（Si）；能带性质随组分的变化；空穴的概念与性质；载流子有效质量；载流子动量、本征半导体和非本征半导体、量子阱中的载流子。

2-3 载流子浓度

费米－狄拉克统计、费米能级；平衡载流子浓度、有效态密度、态密度有效质量；载流子浓度随杂质浓度和温度的变化；杂质补偿与空间电荷中性。

2-4 载流子在电场和磁场中的运动

迁移率、电导率有效质量；迁移率随温度和杂质浓度的依赖关系；迁移率的高场效应；Hall效应。热平衡条件下费米能级的不变性。

第3章 半导体中的过剩载流子（共6学时）

3-1 载流子的产生和复合

过剩载流子；载流子的复合（直接复合和间接复合）；载流子的产生（稳态）、准费米能级。

3-2 扩散电流和漂移电流

扩散过程、自建电场、爱因斯坦关系、扩散和漂移电流分量。

3-3 稳态条件下的载流子注入

连续性方程和扩散方程；载流子分布；Haynes－Shockley实验；准费米能级的梯度。

第4章 pn结和金属－半导体结（共16学时）

4-1 pn结热平衡状态

pn结的接触电势；pn结的耗尽区电荷。

4-2 pn结正向偏置和少子注入

结边界的过剩载流子浓度；过剩载流子浓度在结两侧的分布；电子和空穴的扩散电流以及pn结电流；过剩载流子的存贮电荷；耗尽区中的pn积。

4-3 pn结反向偏置和少子抽出

结边界的过剩载流子浓度；过剩载流子浓度在结两侧的分布；耗尽区中的pn积；pn结的反向击穿（齐纳击穿和雪崩击穿、击穿二极管）。

4-4 pn结的瞬态过程和反向恢复过程

存贮的过剩少子电荷随时间的变化；反向恢复过程。

4-5 pn结电容

耗尽区电容和扩散电容；变容二极管。

4-6 对基本理论的修正

大注入条件；载流子在耗尽层中的产生与复合；欧姆损耗；缓变结。

4-7 金属－半导体结和异质结

肖特基势垒和整流接触；欧姆接触；异质结。

第5章 场效应晶体管（共16学时）

5-1 场效应晶体管的类型

5-2 结型场效应晶体管（JFET）

沟道夹断与电流饱和；夹断电压；I－V特性。

5-3 金属－半导体场效应晶体管（MESFET）

GaAs MESFET；高电子迁移率晶体管（HEMT、MODFET、2－DEG FET、SEDFET）；JFET和MESFET的短沟效应。

5-4 MOS电容结构

基本结构和工作原理、理想MOS电容（功函数、表面势、阈值电压）；实际MOS结构（功函数差和界面电荷的影响、阈值电压）；MOS结构的C－V分析（测量界面态密度）和C－t分析（测量载流子寿命）；MOS栅的I—V特性（Fowler－Nordheim隧道电流）。

5-5 MOSFET

输出特性（ID—VD特性）；转移特性（ID—VG特性）；迁移率模型；短沟MOSFET I－V特性；阈值电压的控制（栅电极材料的选取、氧化层电容的控制、离子注入对阈值电压的控制、衬底偏置）；亚阈特性、MOSFET的等效电路

5-6 MOSFET的物理效应

按比例缩小和热载流子效应；漏极诱导势垒降低效应；短沟和窄沟效应；栅极诱导漏极泄露电流。

第6章 双极结型晶体管（共14学时）

6-1 BJT的基本工作原理

6-2 BJT的放大作用

发射极注入效率；基区输运因子；电流传输系数；共射（基）极电流放大因子；BJT的制造工艺。

6-3 BJT基区少子分布和端电流

基区少子分布；端电流。

6-4 BJT端电流的近似表达式、电流放大系数的近似表达式。

6-5 BJT的广义偏置状态

正向作用模式和反向作用模式；端电流的Ebers－Moll方程；电荷控制分析法。

6-6 BJT的开关特性

截止状态；饱和状态。

6-7 关于BJT某些重要的物理效应

不均匀掺杂基区；基区缩短效应（Early效应）；雪崩击穿；大注入效应和热效应；基区电阻和发射极电流集边效应；Kirk效应。

6-8 BJT的Gummel－Poon电路模型

6-9 限制BJT工作频率的主要因素

结的充放电时间；载流子的渡越时间；Webster效应；异质结双极晶体管（HBT）工作频率高的原因。

第7章 光电子器件（共4学时）

7-1 光电二极管

受到光照时pn结的I－V特性、光生伏特效应；太阳能电池；光探测器。

7-2 发光二极管（LED）

发光材料；通信用光纤及其特性；多层膜异质结LED。

7-3 激光器的工作原理

7-4 半导体激光器

粒子数反转；pn结激光器的发光光谱；基本半导体激光器；异质结激光器；半导体激光器的材料。

第8章 负电导微波器件（共4学时）

8-1 隧道二极管。

8-2 碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT）

8-3 电子转移器件（Gunn二极管）

电子转移机制；空间电荷畴的形成及其运动。

第9章 高频、大功率及纳电子器件（共6学时）

9-1 pnpn二极管

基本结构、双晶体管模型；正向阻断态；导通态；触发机制。

9-2 半导体可控整流器（SCR）

栅控作用和关断特性。

9-3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

9-4 纳电子器件

低维结构及其基本性质；自旋存储器件；阻变存储器件。

 

（一）教学方法与学时分配

【教学方法】

（1） 双语教学：采用英文讲稿与板书，中文讲解。

（2） 多媒体教学：采用PowerPoint讲稿（英文）和Movie资料演示。

（3） 课堂组织：主要是课堂讲授（约64学时），对某些主题采用课堂讨论形式（约8学时），讨论的主题采用Problem Based Learning方法确定。

（4） 习题与作业：布置课后作业（约75道习题），共性问题集中解答。

【学时分配】

本课程共72学时。第1－3章以《半导体物理学》课程内容作为基础，只做概略性讲授，占12学时。第2章不讲。第4－10章（第9章除外）是本课的主要内容，占60学时。第9章关于集成电路的内容有专门课程讲授，本课程中可不讲。各章节的具体课时分配见“课程内容与安排”。

 

（二）内容及基本要求

【主要内容】

第1-4章是关于半导体材料及其生长技术、量子力学基础、半导体能带以及过剩载流子方面的内容。第5-10章是关于各种电子器件和集成电路的结构、工作原理以及制造工艺等内容，包括：p-n结、金属-半导体结、异质结；场效应晶体管（JFET、MESFET、MOSFET）；双极结型晶体管（BJT、HBT）；光电子器件（太阳电池、光探测器、LED、激光器）；高频、大功率及纳电子器件（隧道二极管、IMPATT二极管、Gunn二极管、SCR、IGBT、新型纳电子器件）。第9章介绍CMOS制造工艺，从器件物理角度介绍了SRAM、DRAM、CCD、闪存等集成器件的结构和工作原理。

【掌握】

（1） 半导体材料的基本性质（晶格结构、能带结构、典型用途）；

（2） 半导体中载流子的统计分布，半导体的导电性质；

（3） 各种半导体器件的结构、工作原理以及特性：pn结/金属半导体结，双极结型晶体管（BJT），结型场效应晶体管（JFET），金属－绝缘体－半导体场效应晶体管（MESFET/MOSFET），光电子器件，负电导微波器件，功率半导体器件，纳电子器件；

（4） 器件物理效应：短沟道效应，高场效应，热载流子效应，CMOS集成器件和集成电路与技术；GaN、SiC LED和VCSEL、APD的基本结构和工作原理。

【一般掌握】

（1） 新型电子材料与新型微纳结构的基本性质，包括量子点、量子线和层状晶体；

（2） 纳电子器件的基本原理，包括自旋存储器、阻变存储器和相变存储器；

（3） 器件结构与工艺技术的新进展及其发展趋势。