半导体器件物理学
课程编码：080902M04003H
英文名称：Physics of Semiconductor Devices
课时：80
学分：5.00
课程属性：专业核心课
主讲教师：许军
教学目的要求
本课程介绍现代超大规模集成电路中几种主要的有源半导体器件，包括半导体二极管（PN结），双极型晶体管（BJT），金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的基本知识。教学目标是要求学生掌握现代集成电路中最常用的几种半导体器件的物理原理和分析方法，以及采用计算机进行模拟分析的各种器件物理模型，并能够根据具体要求设计相关的半导体器件。
预修课程
高等数学、普通物理
大纲内容
第一章 半导体中的载流子 6.0学时
第1节 硅的晶体结构
第2节 电子和空穴的成键模型
第3节 能带模型
第4节 半导体、绝缘体和导体
第5节 电子和空穴
第6节 态密度
第7节 热平衡与费米函数
第8节 电子和空穴的浓度
第9节 n和p的通用理论
第10节 在极端温度下的载流子浓度
第二章 载流子的运动与复合 6.0学时
第1节 热运动
第2节 漂移
第3节 扩散电流
第4节 能带图与电压、电场的关系
第5节 爱因斯坦关系
第6节 电子与空穴的复合
第7节 热产生
第8节 准平衡与准费米能级
第三章 半导体器件制造技术 6.0学时
第1节 器件工艺概述
第2节 硅的热氧化
第3节 光刻工艺
第4节 图形转移与刻蚀
第5节 掺杂工艺
第6节 掺杂剂的扩散推进
第7节 薄膜淀积
第8节 互连与后道工序
第9节 测试、封装与考核
第四章 PN结与金属-半导体接触 9.0学时
第1节 PN结的理论基础
第2节 耗尽层模型
第3节 PN结反偏特性
第4节 PN结电容电压特性
第5节 PN结的击穿特性
第6节 正偏PN结的载流子注入效应
第7节 电流连续性方程
第8节 正偏PN结的过剩载流子
第9节 PN结的电流-电压特性
第10节 PN结中的电荷存储效应
第11节 PN结二极管的小信号模型
第12节 太阳能电池
第13节 发光二极管和固态照明
第14节 二极管激光器
第15节 光电二极管
第16节 肖特基势垒
第17节 热发射理论
第18节 肖特基二极管特性
第19节 肖特基二极管应用
第20节 量子力学隧穿效应
第21节 欧姆接触
第五章 MOS电容特性 6.0学时
第1节 平带条件和平带电压
第2节 表面积累
第3节 表面耗尽
第4节 阈值电压
第5节 高于阈值的强反型
第6节 MOS结构的C-V特性
第7节 氧化层电荷对阈值电压的影响
第8节 多晶硅栅耗尽效应
第9节 反型层厚度及其量子化效应
第10节 CCD与CMOS图像传感器原理
第六章 MOS晶体管 9.0学时
第1节 MOSFET概述
第2节 CMOS器件结构
第3节 表面迁移率和高迁移率器件
第4节 MOSFET的阈值电压及其体效应
第5节 MOSFET中的反型层电荷面密度
第6节 MOSFET的电流-电压特性
第7节 CMOS反相器的工作原理
第8节 载流子速度饱和效应
第9节 考虑速度饱和效应的电流-电压特性
第10节 器件源漏寄生电阻
第11节 器件等效沟道长度的提取
第12节 速度过冲与源区速度限制
第13节 器件输出电导
第14节 器件高频特性
第15节 MOSFET噪声特性
第16节 几种MOS器件构成的存储器电路
第七章 集成电路中的MOSFET 9.0学时
第1节 等比例缩小准则
第2节 器件亚阈区漏电
第3节 短沟道MOS器件阈值电压下降效应
第4节 栅绝缘层电学厚度与隧穿电流
第5节 衬底耗尽层宽度的减小
第6节 浅结与金属源漏MOS晶体管
第7节 开关电流比与可制造性设计
第8节 超薄体SOI及FinFET器件
第9节 漏致势垒降低效应
第10节 器件模拟与工艺模拟
第11节 MOS器件集约模型
第八章 双极型晶体管 9.0学时
第1节 双极型晶体管简介
第2节 收集极电流
第3节 基极电流
第4节 电流增益
第5节 基区宽度调制效应
第6节 BJT的EM模型
第7节 渡越时间与电荷存储效应
第8节 BJT的小信号模型
第9节 BJT的截止频率
第10节 BJT的电荷控制模型
第11节 BJT的大信号模型
第九章 CMOS器件的优化设计 8.0学时
第1节 MOS器件的非理想效应
第2节 MOS器件阈值电压的小尺寸效应
第3节 MOS器件阈值电压的设计考虑
第4节 MOS器件的优化设计
第5节 量子化效应对MOS器件阈值电压的影响
第6节 CMOS结构的优化设计
第7节 CMOS器件中的寄生参量
第8节 超陡亚阈摆幅MOS器件简介
第十章 化合物与异质结半导体器件 6.0学时
第1节 GaAs-MESFET器件物理
第2节 AlGaAs/GaAs-HEMT器件物理
第3节 异质结双极型晶体管HBT器件物理
第4节 GaN-HEMT器件物理
第5节 SiC器件物理
第十一章 其他特殊的半导体器件 6.0学时
第1节 LDMOS高压功率器件物理
第2节 VDMOS高压功率器件物理
第3节 IGBT功率器件物理
第4节 SOI器件与集成电路
第5节 电荷耦合器件CCD原理与应用
第6节 薄膜晶体管TFT原理与应用
参考书
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课程教师信息
许军，清华大学教授，博士生导师，原清华大学微电子学研究所所长。