现代半导体器件物理

课程编码：180202085403P2005H 英文名称：Physics of Modern Semiconductor Devices 课时：60 学分：3.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：殷华湘等

本课程是集成电路工程、新一代电子信息技术及其他微电子、半导体相关专业研究生的专业核心课。本课程主要包含面向大规模集成电路微缩发展的现代硅基MOS器件物理，还包括面向大功率模拟电路和新型光电应用的现代双极器件物理。本课程在半导体物理与工艺的基础上讲述半导体器件的基础工作原理和基本特性，着重讲述MOS器件在CMOS集成电路微缩发展中的物理效应、优化方法和主要模型，介绍现代多栅MOS器件的特殊原理与设计方法，以及基于隧穿、负电容等新机制与低维材料、IGZO等新材料的器件及其工作原理，同时，讲述双极及结型器件的结构改善及特性增强方法，以及在提升现代半导体功率与光电器件性能的基本原理。通过本课程的教学，使学生掌握大规模数字集成电路与大功率模拟集成电路中主要半导体器件的基础知识和分析方法，熟悉现代MOS与双极器件的基本工作理论和设计优化原理，了解器件工作原理与集成电路制造工艺及电路应用设计间的内在联系，锻炼学生运用半导体器件理论来分析与解决相关技术问题的初步能力，为后续课程学习与研究工作开展奠定基础

半导体物理、半导体工艺、电子线路

第一章 半导体物理和器件概要 5学时 殷华湘
第1节 现代半导体器件发展概述
第2节 半导体能带与载流子
第3节 热平衡载流子与输运
第4节 非平衡过剩载流子与器件基本方程
第5节 MOS器件基本制造工艺
第二章 PN结二极管 5学时 殷华湘
第1节 PN结二极管基本结构与工艺
第2节 PN结耗尽区理论
第3节 二极管电流-电压特性
第4节 结击穿
第5节 交流小信号与瞬态特性
第三章 金属-半导体接触 4学时 殷华湘
第1节 金属-半导体接触理论
第2节 肖特基二极管
第3节 欧姆接触
第四章 金属-氧化层-半导体（MOS）电容 5学时 殷华湘
第1节 MOS电容基本结构与工艺
第2节 表面电荷理论
第3节 MOS电容基本特性
第4节 实际硅中MOS电容
第5节 栅耗尽与量子效应修正
第五章 金属-氧化层-半导体场效应晶体管（MOSFET） 6学时 殷华湘
第1节 MOSFET基本结构与工艺
第2节 器件阈值与电流-电压方程
第3节 非理想工作因素与特性变化
第4节 沟道掺杂器件与实际特性修正
第5节 高频与噪声特性
第6节 MOS存储器件
第六章 互补MOS（CMOS）晶体管微缩与优化 5学时 殷华湘
第1节 CMOS晶体管基本结构与工艺
第2节 按比例缩小和短沟道效应
第3节 高电场效应
第4节 现代CMOS工艺优化器件特性
第5节 器件设计优化CMOS电路性能
第6节 CMOS器件模拟与模型
第七章 现代三维多栅MOS器件 6学时 殷华湘
第1节 现代三维多栅MOS器件概述
第2节 从单栅到多栅的SOI MOS器件
第3节 现代体硅FinFET技术
第4节 纳米线GAA晶体管技术
第5节 现代三维多栅MOS晶体管紧凑模型
第6节 现代CMOS电路与器件的协同设计
第八章 新原理与新材料MOS器件 4学时 郑中山
第1节 隧穿输运与隧穿器件
第2节 铁电负电容器件
第3节 低维纳米电子器件
第4节 非晶氧化物半导体（IGZO）电子器件
第九章 双极晶体管 6学时 郑中山
第1节 双极晶体管基本结构与工艺
第2节 双极晶体管直流特性
第3节 双极晶体管小信号模型与频率特性
第4节 双极晶体管功率特性
第5节 双极晶体管开关特性
第6节 异质结双极晶体管
第十章 结型场效应晶体管（JFET）和金属-半导体场效应晶体管（MESFET） 5学时 郑中山
第1节 JFET和MESFET的基本结构和工作原理
第2节 JFET的电流-电压特
第3节 JFET的等效电路和频率限制
第4节 异质结MESFET和HEMT
第十一章 现代半导体功率器件 6学时 郑中山
第1节 功率双极晶体管
第2节 功率MOSFET
第3节 绝缘栅双极晶体管
第4节 晶闸管
第5节 宽禁带半导体与器件
第十二章 现代半导体光电器件 3学时 郑中山
第1节 半导体中的光吸收
第2节 太阳能电池
第3节 光电探测器
第4节 光致发光与电致发光
第5节 发光二极管
第6节 半导体激光器

殷华湘：研究员，院级人才引进计划，博士生导师，国科大岗位教授，科技部重点专项总体专家组成员。先后主持和参与过国家重大专项、重点研究计划、国家自然科学基金重大/重点、中科院先导专项等多项集成电路基础器件与先导工艺的重要科研课题，在集成电路22-14纳米高k金属栅工艺、14纳米FinFET、3纳米GAA-FET及铁电新原理器件中取得了系列创新成果，关键技术成功向国内重点企业转移。在IEEE EDL、TED和IEDM等微电子器件领域知名杂志和国际学会上发表60多篇论文，SCI引用超过1000次，并申请国内外发明专利300余件，取得126件中国和美国的发明专利授权，同时获得国家、中科院、北京市等5项国家、省部级科研奖励。2014年至今，在国科大开设与参与两门专业核心课程的讲授，是《半导体器件物理》的首席教授、《半导体工艺与制造技术》的主讲教师之一，课程培养研究生800余名。

郑中山：博士，副研究员，硕士研究生导师，主要研究方向为半导体材料与器件的辐射效应，涉及SOI材料与SOI器件、高 k材料与纳米器件、低维材料与新型器件等，近10多年来，以第一作者或通讯作者发表SCI及EI论文共计20余篇，包括SCIENCE CHINA Materials、J. Appl. Phys.、IEEE Transactions on Nuclear Science等学术期刊论文及RADECS和IPFA等国际会议论文。从事高校教学20余年，先后承担《大学物理》、《普通物理》、《固体物理》等本科阶段课程及《半导体物理》研究生专业课程的授课工作，2020年始，作为主讲教师参与国科大集成电路学院的研究生专业核心课程《半导体器件物理》的教学工作。