半导体器件物理 教学内容和要点

教学内容和要点

第一章 半导体物理基础

第二节 载流子的统计分布

一、能带中的电子和空穴浓度 二、本征半导体

三、只有一种杂质的半导体 四、杂质补偿半导体 第三节 简并半导体

一、载流子浓度

二、发生简并化的条件

第四节 载流子的散射

一、格波与声子 二、载流子散射

三、平均自由时间与弛豫时间 四、散射机构 第五节 载流子的输运

一、漂移运动 迁移率 电导率 二、扩散运动和扩散电流 三、流密度和电流密度

四、非均匀半导体中的自建场

第六节 非平衡载流子

一、非平衡载流子的产生与复合 二、准费米能级和修正欧姆定律 三、复合机制

四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程

第二章 PN结

第一节 热平衡PN结

一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体

结

突变结、缓变结、线性缓变结

二、硅PN结平面工艺流程 （多媒体演示 图2.1） 三、空间电荷区、内建电场与电势 四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形

成的过程

五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势

及PN结空间电荷区两侧的内建电势差

六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、

内建电势差和空间电荷区宽度 （利用耗尽近似）

第二节 加偏压的P?N结

一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性

二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象

第三节 理想P?N结的直流电流-电压特性

一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，

电流－电压关系

二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电

流）

第四节 空间电荷区的复合电流和产生电流

一、复合电流 二、产生电流

第五节 隧道电流

一、隧道电流产生的条件

二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12） 第六节 I?V特性的温度依赖关系

一、反向饱和电流和温度的关系 二、I?V特性的温度依赖关系

第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管

一、PN结C-V特性

二、过渡电容的概念及相关公式推导 求杂质分布的程序（多媒体演

示 Fig2.19）

三、变容二极管 第八节 小讯号交流分析

一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总

电流公式

二、扩散电容与交流导纳 三、交流小信号等效电路 第九节 电荷贮存和反响瞬变

一、反向瞬变及电荷贮存效应 二、利用电荷控制方程求解?s 三、阶跃恢复二极管基本理论 第十节 P-Ｎ结击穿

一、PN结击穿

二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导 三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题

第三章 双极结型晶体管

第一节双极结型晶体管的结构

一、了解晶体管发展的历史过程

二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体 图3.1）概述

第二节 基本工作原理

一、理想BJT的基本工作原理 二、四种工作模式

三、放大作用 （多媒体Fig3.6） 四、电流分量 （多媒体Fig3.7）

五、电流增益 （多媒体Fig3.8 3.9）

第三节 理想双极结型晶体管中的电流传输

一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布 二、正向有源模式

三、电流增益～集电极电流关系

第四节 爱拜耳斯-莫尔（Ebers?Moll）方程

一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布 二、E-M模型等效电路 三、E-M方程推导

第五节 缓变基区晶体管

一、 基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用 二、少子浓度推导 三、电流推导

四、基区输运因子推导

第六节 基区扩展电阻和电流集聚

一、基区扩展电阻 二、电流集聚效应

第七节 基区宽度调变效应

一、基区宽度调变效应 （EARLY效应） 二、hFE和ICE0的改变

第八节 晶体管的频率响应

一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（?，hfe），

共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ ,W?）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），

二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导

三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导 四、Kirk效应

第九节 混接?型等效电路

一、参数：gm 、gbe 、CD 的推导 二、等效电路图（图3－23） 三、证明公式（3－85）、（3－86）

第十节 晶体管的开关特性

一、开关作用

二、影响开关时间的四个主要因素：td 、tr 、tf 、ts 三、解电荷控制方程求贮存时间ts

第十一节 击穿电压

一、两种击穿机制

二、计算机辅助计算：习题

阅读 §3.12 、§3.13 、§3.14

第四章 金属—半导体结 第一节肖特基势垒

一、肖特基势垒的形成 二、加偏压的肖特基势垒

三、M－S结构的C-V特性及其应用

第二节 界面态对势垒高度的影响

一、界面态

二、被界面态钳制的费米能级

第三节 镜像力对势垒高度的影响

一、镜像力

二、肖特基势垒高度降低

第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性

一、热电子发射

二、理查德-杜师曼方程

第五节 肖特基势垒二极管的结构

一、简单结构 二、金属搭接结构 三、保护环结构

第六节 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管

一、基本结构 二、工作原理

第七节 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较

一、开启电压 二、反向电流 三、温度特性

第八节 肖特基势垒二极管的应用

一、肖特基势垒检波器或混频器 二、肖特基势垒钳位晶体管

第九节 欧姆接触

一、欧姆接触的定义和应用 二、形成欧姆接触的两种方法

第五章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管 第一节JFET的基本结构和工作过程

一、两种N沟道JFET 二、工作原理

第二节 理想JFET的I-V特性

一、基本假设 二、夹断电压 三、I-V特性

第三节 静态特性

一、线性区 二、饱和区

第四节 小信号参数和等效电路

一、 参数：gl gml gm CG 二、JFET小信号等效电路图

第五节JFET的截止频率

一、输入电流和输出电流 二、截止频率

第六节 夹断后的JFET性能

一、沟道长度调制效应 二、漏极电阻

第七节 金属-半导体场效应晶体管

一、基本结构

二、阈值电压和夹断电压 三、I-V特性

第八节 JFET和MESFET的类型

一、N—沟增强型 N—沟耗尽型 二、P—沟增强型 P—沟耗尽型 阅读 §5.8 §5.9

第六章 金属-氧化物-场效应晶体管

第一节 理想MOS结构的表面空间电荷区

一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1） 二、半导体表面空间电荷区的形成

三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1） 四、载流子的积累、耗尽和反型 五、载流子浓度表达式

六、三种情况下MOS结构能带图

七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础

第二节 理想MOS电容器

一、基本假设

二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区

三、沟道电导与阈值电压：定义 公式（6－53）和（6－55）的推导

第三节 沟道电导与阈值电压

一、定义

二、公式（6－53）和（6－55）的推导

第四节 实际MOS的电容—电压特性

一、 M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S

功函数差，

MOS结构的能带图的画法 二、平带电压的概念

三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压 四、 四种电荷以及特性平带电压的计算 五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线

第五节 MOS场效应晶体管

一、基本结构和工作原理 二、静态特性

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