《半导体物理与器件》课程教学大纲

注：课程类别是指学科基础课/专业课；课程性质是指必修/选修。

一、课程目标

《半导体物理与器件》是集成电路设计与集成系统的专业基础课程，是学生进一步从事半导体器件设计、制造和集成电路设计等所应掌握的基础知识。

随着半导体物理与器件的飞速发展，新的半导体物理现象、效应、理论和新的半导体材料、器件等不断涌现。要理解和利用它们，学习半导体物理与器件的基础知识是非常必要的。通过讲授半导体基础理论、器件工作机理和制备技术等理论知识，培养学生对半导体器件的分析能力，达到本课程的课程目标如下：

课程目标1：了解半导体物理的基础知识、基本理论和基本方法，理解能带论，掌握半导体中的电子、空穴、有效质量、本征半导体的导电机制和本征半导体的能带结构；

课程目标2：了解PN结的平衡状态，理解空间电荷区的形成，掌握内建电场和扩散电势差、PN结在正向/反向电压下的能带图、少子分布与伏安特性，掌握PN结的击穿特性、势垒电容、扩散电容和开关特性，了解金属-半导体结的基本结构和工作原理；

课程目标3：理解MOSFET的基本结构和工作原理，掌握理想MOS电容在积累区、耗尽区和反型区的能带图，熟悉平带电压和阈值电压的概念及影响阈值电压的各种因素，熟悉MOSFET的伏安特性及击穿特性，并能掌握主要参数和特性的分析与计算方法，了解反相器的基本结构和工作机理；

课程目标4：理解双极型晶体管的基本概念和工作原理，熟悉双极型晶体管的静态特性和动态响应模型。

二、课程目标与毕业要求对应关系

《半导体物理与器件》支撑毕业要求2的指标点1-3、毕业要求2的指标点2-1、毕业要求4的指标点4-1，课程目标与相关毕业要求及其指标点的对应关系如表1所示。

表1课程目标与毕业要求对应关系

三、课程与毕业要求的关联度

《半导体物理与器件》课程与毕业要求的关联度如表2所示。

表2 课程与毕业要求的关联度

四、课程目标与教学内容和方法的对应关系

《半导体物理与器件》课程目标与教学内容、教学方法的对应关系如表3所示。

表3课程目标与教学内容、教学方法的对应关系

该课程详细的教学内容和方法如下所述：

绪论半导体器件的简介与进展

(1) 主要内容

• 电子管、晶体管及集成电路计算机的发展；

• 晶体管的发明及半导体产业的发展；

• 摩尔定律的出现及其对半导体产业的影响。

(2) 教学方法与要求

通过讲授与提问等教学方法，激发学生对半导体的兴趣，使学生能够对半导体产业的发展、晶体管的发明及影响有宏观的了解。

(3) 重点难点

• 重点：晶体管、集成电路及计算机的发展；半导体产业的发展（及硅谷的历史）。

(4) 阅读书目

J. D. Cressler著，张溶冰张晨博译，硅星球——微电子学与纳米技术革命，上海世纪出版集团，2012年

第1章半导体中的电子和空穴

(1) 主要内容

• 硅的晶体结构；

• 电子和空穴的成键模型；

• 能带模型；

• 态密度与Fermi分布函数；

• 电子和空穴的浓度。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生能够掌握能带理论并从能带理论的角度分析半导体的导电机制；熟悉本征半导体和杂质半导体的概念；理解半导体中电子和空穴的状态，特别是空穴的概念及一些基本特征量；掌握并且能够计算热平衡状态下载流子的浓度问题。

(3) 重点难点

• 重点：电子与空穴的概念；本征半导体与杂质半导本；半导体的能带结构；载流子的概念及其浓度的计算方法。

• 难点：能带模型；载流子的概念；状态密度与Fermi函数。

第2章电子和空穴的运动与复合

(1) 主要内容

• 热运动；

• 载流子的漂移与扩散；

• 爱因斯坦关系；

• 电子和空穴的复合；

• 准平衡状态和准Fermi能级。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生掌握载流子的几种输运机制，如扩散运动、漂移运动；熟悉半导体中的缺陷种类、性质及其作用；熟悉有效质量的概念；了解非平衡载流子的概念、产生及其随时间的变化规律（寿命问题）。

(3) 重点难点

• 重点：载流子的输运机制（扩散与漂移）；载流子的复合；非平衡载流子的概念。

• 难点：载流子的输运机制（扩散与漂移）；非平衡载流子的概念及连续性方程。

第3章器件制造技术

(1) 主要内容

• 光刻技术；

• 掺杂技术及掺杂剂的扩散；

• 薄膜淀积；

• 后端工序。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、讨论等教学方法，使学生对半导体器件及集成电路的制备有一定了解，大致掌握前端工序及涉及到的一些具体技术（如光刻、掺杂、淀积等）。

(3) 重点难点

• 重点：集成电路整体的制备流程。

(4) 阅读书目

M. Quirk，J. Serda著，韩郑生等译，半导体制造技术，电子工业出版社，2015年

第4章 PN结和金属-半导体结

(1) 主要内容

• PN结的结构及能带模型；

• 耗尽层模型；

• 电容-电压特性；

• 击穿特性；

• PN结的电流-电压特性；

• 金属-半导体结的基本结构及Schottky二极管。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生理解和熟悉PN结及其能带图；掌握PN结的电流-电压特性及电容-电压特性；熟悉PN结的三种击穿机理；理解和掌握PN结二极管的工作原理及稳态响应的建模；熟悉金属-半导体接触的能带图；了解欧姆接触以及Schottky二极管的工作原理及特性；了解JFET、HEMT和MESFET的基本知识。

(3) 重点难点

• 重点：PN结的基本结构及能带图；PN结的电流-电压特性及击穿特性；金属-半导体接触及Schottky二极管的工作原理。

• 难点：PN结在正向偏置下的载流子注入；准平衡边界条件；PN结的电流-电压特性。

第5章 MOS电容

(1) 主要内容

• MOS电容的基本结构；

• 平带条件的概念和平带电压的计算；

• 表面积累、表面耗尽及阈值条件；

• MOS结构的电容-电压特性；

• 多种因素对阈值电压的影响。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生熟悉理想MOS结构及其基本工作原理，掌握MOS电容的能带结构及其在平带条件、阈值条件、积累区、耗尽区和反型区下的能带图；掌握阈值条件的概念及相应的计算公式；理解不同因素对阈值电压的影响。

(3) 重点难点

• 重点：MOS电容的能带图；平带条件与阈值条件；MOS电容在积累区、耗尽区及反型区的能带图；MOS结构的电容-电压特性。

• 难点：MOS电容在不同条件下的能带图；阈值电压的计算及不同因素对他的影响。

第6章 MOSFET晶体管

(1) 主要内容

• MOSFET的结构及互补MOS工艺流程；

• 表面迁移率的概念；

• MOSFET的电流-电压模型；

• 反相器的概念、结构、版图及转移特性；

• MOSFET的寄生电阻、输出电导、噪声等关键性能指标。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生系统地了解和掌握MOSFET的基本工作原理和物理机制；掌握MOSFET器件的主要结构形式、工作特性和有关的特性概念；熟悉MOSFET的电容-电压特性和伏安特性，并能掌握主要参数和特性的分析和计算方法。

(3) 重点难点

• 重点：MOSFET的结构及电流-电压模型；反相器的概念、结构及转移特性；MOSFET的关键性能指标。

• 难点：MOSFET的关键性能指标（寄生源漏电阻、串联电阻、输出电导等）。

第7章 IC中的MOSFET——按比例缩小、漏电及其他问题

(1) 主要内容

• 摩尔定律：半导体器件按比例缩小；

• 亚阈值区电流的概念；

• 多种因素（如短沟道、浅结等）对MOSFET性能的影响；

• 超薄体SOI、多栅MOSFET等新型晶体管的概念、结构及原理；

• 用于电路模型的MOSFET集约模型。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生掌握摩尔定律的基本概念，从速度、成本、功耗等角度理解摩尔定律对半导体产业发展的影响，了解目前半导体器件面临的一些问题；熟悉按比例缩小所面临的一些困难，如短沟道效应等对MOSFET性能的影响；了解目前出现的超薄体SOI、多栅MOSFET等新型晶体管的概念其及原理；了解用于电路仿真的MOSFET集约模型。

(3) 重点难点

• 重点：摩尔定律；多种因素对MOSFET性能的影响；多种新型晶体管的概念及原理。

• 难点：亚阈值区电流；短沟道效应；隧穿电流。

第8章双极型晶体管

(1) 主要内容

• 双极型晶体管的基本结构及符号定义；

• 集电极电流、基极电流及电流增益的概念；

• Ebers-Moll模型与小信号模型。

(2) 教学方法与要求

通过讲授、提问和讨论等教学方法，使学生在PN结二极管工作原理分析的基础上，学会将其分析进行合理的拓展，即从单结二极管发展到双极晶体管，掌握双极结型晶体管的基本概念、符号定义、工作原理的定性分析及表达式等。

(3) 重点难点

• 重点：双极型晶体管的基本结构；集电极电流、基极电流及电流增益；小信号模型。

• 难点：由集电极电压导致的基区宽度调制效应；大信号电路模型。

五、实践环节及要求

无。

六、与其它课程的联系

先修课程：大学物理

后续课程：模拟集成电路设计、数字集成电路设计、传感器原理与应用、集成电路设计与实践、微电子工艺与测试

七、学时分配

总学时48学时，其中讲课42学时，讨论及习题6学时，如表4所示。

表4学时分配表

八、课程目标达成途径及学生成绩评定方法

1.      课程目标达成途径

课程目标的达成途径如表5所示。

表5课程目标与达成途径

2.       学生成绩评定方法

该课程为考试课程，考试方式为闭卷。该课程采用形成性评价与终结性评价相结合的评价方法，学期总评成绩由三部分构成：平时成绩，占比30%；期末考试成绩，占比70%。各部分的具体评价环节、关联课程目标、评价依据及方法和总成绩中的占比，如表6所示。若有教改班，成绩评定及教学大纲另行制定。

表6课程考核与成绩评定方法

九、教学资源

表7课程的基本教学资源

十、  课程目标、毕业要求指标点达成度定量评价

1. 1.      课程目标达成度评价

(1)   课程目标达成度的评价环节

本课程共4个课程目标，表示为课程目标i（i= 1, 2, 3, 4）。为便于表示和计算，本课程定义了以下符号。

CG(i)：课程目标i达成度，其中i= 1, 2, 3, 4；

A：作业；

B：课堂表现；

C：期末考试。

WA(i)：评价环节A中支撑课程目标i的考核项的归一化分值，其中i= 1, 2, 3, 4；

WB(i)：评价环节B中支撑课程目标i的考核项的归一化分值，其中i= 1, 2, 3, 4；

WC(i)：评价环节C中支撑课程目标i的考核项的归一化分值，其中i= 1, 2, 3, 4；

VA(i)：评价环节A中支撑课程目标i的考核项的归一化得分，其中i= 1, 2, 3, 4；

VB(i)：评价环节B中支撑课程目标i的考核项的归一化得分，其中i= 1, 2, 3, 4；

VC(i)：评价环节C中支撑课程目标i的考核项的归一化得分，其中i= 1, 2, 3, 4；

归一化分值为该考核项设计分会在总成绩中的占比×100%；

归一化得分为该考核项设计分值在总成绩中的占比×100%×该考核项实际得分率。

(2)   课程目标达成度计算

根据上述符号定义，课程目标i达成度CG(i)可计算如下：

CG(i) = (VA(i) + VB(i) + VC(i)) / (WA(i) + WB(i) + WC(i))

其中i= 1, 2, 3, 4。

1. 2.      毕业要求指标点达成度评价

(1)   课程目标支撑毕业要求指标点的权重分配

本课程的4个课程目标共同支撑了3个毕业要求指标点，为便于表示和计算，本课程还定义了以下符号。

GS(m-n)：毕业要求m的第n个指标点的达成度，即本课程所支撑的3个毕业指标点的达成度分别为GS(1-3)、GS(2-1)和GS(4-1)。

A：作业；

B：课堂表现；

C：期末考试。

SWA(m-n)：评价环节A中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化分值；

SWB(m-n)：评价环节B中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化分值；

SWC(m-n)：评价环节C中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化分值；

SVA(m-n)：评价环节A中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化得分；

SVB(m-n)：评价环节B中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化得分；

SVC(m-n)：评价环节C中支撑毕业要求指标点(m, n)的考核项的归一化得分；

归一化分值为该考核项设计分会在总成绩中的占比×100%；

归一化得分为该考核项设计分值在总成绩中的占比×100%×该考核项实际得分率。

(2)   毕业要求指标点达成度计算

根据上述的符号定义，毕业要求(m, n)的达成度GS(m, n)可计算如下：

GS(m-n) = (SWA(m-n)+ SWB(m-n) + SWC(m-n)) / (SVA(m-n) + SVB(m-n)+ SVC(m-n))

其中(m-n)= (1-3)，(2-1)，(4-1)。

十一、       说明

本大纲规定了杭州电子科技大学集成电路设计与集成系统专业《半导体物理与器件》课程的教学要求和教学规范，承担《半导体物理与器件》课程的教师须遵照本大纲安排授课计划、实施教学过程，完成学生学习成果评价、课程目标达成度评价和毕业要求指标点达成度评价。

十二、编制与审核

表8大纲编制与审核信息