微電子器件授課教案

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1、本課程的授課對(duì)象是“電子科學(xué)與技術(shù)（微電子技術(shù)方向）”專業(yè)和“集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)”專業(yè)的本科生，屬于專業(yè)方向選修課。本課程的目的是使學(xué)生掌握半導(dǎo)體器件基本方程、PN結(jié)二極管、雙極結(jié)型晶體管與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本理論與主要特點(diǎn)。這些內(nèi)容都是本領(lǐng)域高級(jí)專業(yè)技術(shù)人員所必須掌握的，同時(shí)也是后續(xù)課程“微電子集成電路”的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。本課程總學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)，其中課堂講課60學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)。第1章半導(dǎo)體器件基本方程授課時(shí)數(shù)：3學(xué)時(shí)一、教學(xué)內(nèi)容及要求1-1半導(dǎo)體器件基本方程的形式1-1-1泊松方程1-1-2輸運(yùn)方程1-1-3連續(xù)性方程1-1-4方程的積分形式1-2基本方程的

2、簡(jiǎn)化與應(yīng)用舉例半導(dǎo)體器件基本方程是分析一切半導(dǎo)體器件的基本數(shù)學(xué)工具，無(wú)論是解析分析還是數(shù)值分析。學(xué)生經(jīng)常抱怨本課的數(shù)學(xué)公式多，而若理解掌握了半導(dǎo)體器件基本方程，則對(duì)于梳理清楚后面出現(xiàn)的大量紛繁復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式的頭緒有很大的幫助。半導(dǎo)體器件基本方程由三組方程所組成，即：泊松方程、輸運(yùn)方程（或稱為電流密度方程）和連續(xù)性方程。學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論、半導(dǎo)體物理等先修課程時(shí)應(yīng)該已經(jīng)接觸過(guò)這些內(nèi)容，這里只是把它們歸納整理后再作一個(gè)集中而簡(jiǎn)略的闡述。要求學(xué)生掌握一維形式的半導(dǎo)體器件基本方程、電荷控制方程和基本方程的6個(gè)應(yīng)用例子。理解三維形式的半導(dǎo)體器件基本方程、基本方程的積分

3、形式和擴(kuò)散方程。二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)一般來(lái)說(shuō)要從原始形式的半導(dǎo)體器件基本方程出發(fā)來(lái)求解析解是極其困難的，通常需要先對(duì)方程在一定的具體條件下采用某些假設(shè)來(lái)加以簡(jiǎn)化，然后再來(lái)求其近似解。隨著半導(dǎo)體器件的尺寸不斷縮小，建立新解析模型的工作也越來(lái)越困難，一些假設(shè)受到了更大的限制并變得更為復(fù)雜。簡(jiǎn)化的原則是既要使計(jì)算變得容易，又要能保證達(dá)到足夠的精確度。如果把計(jì)算的容易度與精確度的乘積作為優(yōu)值的話，那么從某種意義上來(lái)說(shuō)，對(duì)半導(dǎo)體器件的分析問(wèn)題，就是不斷地尋找具有更高優(yōu)值的簡(jiǎn)化方法。要向?qū)W生反復(fù)解釋，任何方法都是近似的，關(guān)鍵是看其精確程度和難易程度。此外，有些近似方法在某些

4、條件下能夠采用，但在另外的條件下就不能采用，這會(huì)在后面的內(nèi)容中具體體現(xiàn)出來(lái)。三、作業(yè)四、本章參考資料[1]謝處方、饒克謹(jǐn)，《電磁場(chǎng)與電磁波》，第二版，高等教育出版社，1987[2]劉恩科、朱秉升、羅晉生，《半導(dǎo)體物理學(xué)》，西安交通大學(xué)出版社，1998五、教學(xué)后記務(wù)必向?qū)W生解釋清楚半導(dǎo)體器件基本方程及其各種簡(jiǎn)化形式的物理意義，這對(duì)于使學(xué)生加深對(duì)半導(dǎo)體器件基本方程的理解與記憶是很有好處的。23第2章PN結(jié)授課時(shí)數(shù)：18學(xué)時(shí)由PN結(jié)構(gòu)成的二極管是最基本的半導(dǎo)體器件。無(wú)論是半導(dǎo)體分立器件還是半導(dǎo)體集成電路，都是以PN結(jié)為基本單元構(gòu)成的。例如NPN雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)，是

5、在兩層N型區(qū)中夾一薄層P型區(qū)，構(gòu)成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。大部分場(chǎng)效應(yīng)晶體管中也有兩個(gè)PN結(jié)，只是它們的工作主要不是靠這兩個(gè)結(jié)的特性而已。半導(dǎo)體集成電路中則含有不計(jì)其數(shù)的PN結(jié)。2-1PN結(jié)的平衡狀態(tài)授課時(shí)數(shù)：3學(xué)時(shí)一、教學(xué)內(nèi)容及要求2-1-1空間電荷區(qū)的形成2-1-2內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)與耗盡區(qū)寬度2-1-3能帶圖2-1-4線性緩變結(jié)2-1-5耗盡近似和中性近似的適用性（自學(xué)）PN結(jié)的平衡狀態(tài)是指PN結(jié)在無(wú)外界作用下，宏觀上達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。本課中提到的平衡狀態(tài)主要是指沒(méi)有外加電壓時(shí)的狀態(tài)。PN結(jié)的平衡狀態(tài)是PN結(jié)的最基本的狀態(tài)，掌握了PN結(jié)的平衡狀態(tài)，就掌握了PN

6、結(jié)的最基本的特性，并且可以由此推廣到非平衡狀態(tài)。要求學(xué)生掌握空間電荷區(qū)的形成過(guò)程、內(nèi)建電場(chǎng)與內(nèi)建電勢(shì)的概念及其計(jì)算、耗盡區(qū)寬度的計(jì)算、平衡PN結(jié)的能帶圖。理解突變結(jié)與線性緩變結(jié)、耗盡近似與中性近似等概念、摻雜濃度與內(nèi)建電場(chǎng)的斜率之間的關(guān)系、從而摻雜濃度與耗盡區(qū)寬度之間的關(guān)系。了解耗盡近似與中性近似的適用性。二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)講課的主要脈絡(luò)是，首先對(duì)空間電荷區(qū)的形成進(jìn)行定性介紹，使學(xué)生建立起物理圖象，然后再作定量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。通過(guò)提問(wèn)“擴(kuò)散過(guò)程會(huì)不會(huì)一直持續(xù)到整塊半導(dǎo)體內(nèi)的載流子都達(dá)到均勻分布？”，來(lái)啟發(fā)學(xué)生對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)與勢(shì)壘的理解。數(shù)學(xué)推導(dǎo)要有清晰的思路：首先通過(guò)

7、求解泊松方程得到內(nèi)建電場(chǎng)表達(dá)式，再通過(guò)對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)的積分得到內(nèi)建電勢(shì)，若積分上限為變量則得到電勢(shì)分布，電勢(shì)分布乘以電子電荷即為電子電位能分布[-qψ(x)]，這就是PN結(jié)的能帶圖。在推導(dǎo)中得到了3個(gè)方程，但卻有4個(gè)未知量，這就要求再增加一個(gè)方程。于是引出另一種求內(nèi)建電勢(shì)的方法，即通過(guò)令電流密度方程為零解出內(nèi)建電場(chǎng)，再通過(guò)對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)積分可求得內(nèi)建電勢(shì)，這樣就減少了一個(gè)未知量。本節(jié)的重點(diǎn)是PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成、內(nèi)建電勢(shì)的推導(dǎo)與計(jì)算、耗盡區(qū)寬度的推導(dǎo)與計(jì)算。本節(jié)的難點(diǎn)是對(duì)耗盡近似的理解。要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)多子濃度與少子濃度相差極其巨大，從而有助于理解耗盡近似的概念，即所謂

8、耗盡，是指“耗盡區(qū)”中的載流子濃度與多