《半导体器件物理》课程教学大纲
课程名称：半导体器件物理 | 课程代码：ELST3202 |
英文名称：Semiconductor Device Physics | |
课程性质：专业必修课 | 学分/学时：3.0 / 63 |
开课学期：4 |
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适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路设计与集成系统 | |
先修课程：半导体物理及固体物理基础 | |
后续课程：器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计、大规模集成电路制造工艺 | |
开课单位：电子信息学院 | 课程负责人：王明湘 |
大纲执笔人：张冬利 | 大纲审核人：王明湘 |
一、课程性质和教学目标
课程性质：《半导体器件物理》课程是微电子科学与工程、电子科学与技术以及集成电路设计与集成系统专业的一门专业必修课，也是三个专业的必修主干课程，是器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计等课程的前导课程，本课程旨在使学生掌握典型的半导体器件的工作机制和特性表征方法，为设计和制造集成电路奠定知识基础。
教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料特性的物理机制以及典型半导体器件的作用原理。通过本课程的学习，要求学生能基于半导体物理知识，分析BJT、MOSFET、LED以及Solar Cell等半导体器件的工作原理、器件特性以及影响器件特性的关键参数。本课程的具体教学目标如下：
1、掌握牢固的半导体基础知识，理解半导体器件工作的物理机制。
2、掌握影响半导体器件电学特性的关键因素，能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数。
3、能够根据给定的器件特性要求，设计和优化器件参数和器件结构。
4、能够对半导体器件的特性进行测量，对测量结果进行研究，并得到合理有效的结论。
二、课程目标与毕业要求的对应关系
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 |
1．工程知识 | 1.3掌握电子科学与技术相关工程基础知识，能用于分析工程问题中的电路、电磁场及信号问题。 | 教学目标1 |
2．问题分析 | 2.1能运用数理和工程知识识别和判断电子科学与技术相关领域复杂工程问题中的关键环节和参数。 | 教学目标2 |
3. 设计/开发解决方案 | 3.3能综合利用专业知识，对设计方案进行优选和优化，体现创新意识。 | 教学目标3 |
4．研究 | 4.4能对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。 | 教学目标4 |
三、课程教学内容及学时分配（重点内容：«；难点内容：D）
一、半导体的晶体结构与能带理论（支持教学目标1）
课时：1周，共3课时
1. 晶体结构与硅工艺
1.1 晶体的结构«
1.2 硅工艺简介
2. 基本能带理论
2.1 能带理论
2.2 统计分布的特点
2.3 本征与掺杂半导体«
二、载流子输运（支持教学目标1）
课时：1周，共3课时
1. 传统输运机制«
1.1 漂移运动
1.2 扩散运动
2. 产生复合机制与连续性方程
2.1 几种产生复合假设
2.2 连续性方程及其基本应用
三、PN结二极管
课时：1周，共3课时
1. 热平衡状态下的PN结（支持教学目标1）
1.1 PN结的形成与能带特点、«
1.2 突变PN结耗尽近似的基本方程与参数分布«
2. 直流偏压下的PN结（支持教学目标1）
2.1 载流子与能带分析«
2.2 电流电压方程«
2.3 异质结
课时：4周，共12课时
1. 晶体管的工作原理（支持教学目标1）
1.1 器件结构特点和工作模式（支持教学目标1）
2.1 电流增益（支持教学目标2）«
3.1非理想效应（支持教学目标3）«
2. 电路模型（支持教学目标1）
3. 频率响应（支持教学目标2）«
4. 特殊结构晶体管（支持教学目标3）D
五、MOSFET基础（支持教学目标1）
课时：2周，共6课时
1. MOS的基本结构与能带分析
1.1 能带分析（支持教学目标1）«
1.2 阈值电压（支持教学目标2）«
2. MOSFET的基本原理
2.1 MOSFET结构（支持教学目标1）
2.2 电流电压特性（支持教学目标2）«
2.3 小信号模型D（支持教学目标2）
六、MOSFET概念深入
课时：3周，共9课时
1. 亚阈值特性（支持教学目标1）
1.1亚阈值电流机制«
1.2亚阈值摆幅
2. 非理想效应«（支持教学目标1）
2.1沟道长度调制效应
2.2表面散射效应
2.3速度饱和效应
2.4弹道输运
3. MOSFET按比例缩小理论（支持教学目标3）
3.1按比例缩小理论«
3.2阈值电压修正D
4. 击穿级热载流子效应（支持教学目标3）
4.1击穿及轻掺杂漏«
4.2辐射及热载流子效应
思考题：
1、 Bipolar与MOSFET的比较
七、结型场效应晶体管和功率器件
课时：2周，共6课时
1. 结型场效应晶体管（支持教学目标1）
1.1 JFET工作原理及器件特性
1.2 MESFET工作原理及器件特性«
1.3 MODFET D
2. 功率器件
2.1 功率双极晶体管
2.2 功率MOSFET
2.3 半导体闸流管
八、光电器件
课时：4周，共12课时
1. 光谱及光吸收（支持教学目标2）
1.1光谱
1.2光吸收系数«
2. 太阳能电池（支持教学目标2）
2.1pn结太阳能电池«
2.2异质结太阳能电池
2.3非晶硅太阳能电池
3. 光电探测器D（支持教学目标2）
3.1光导体
3.2光电二极管
3.3光电晶体管
4. LED和激光（支持教学目标3）
4.1电致发光
4.2发光二极管«
4.3激光二极管
9. 实验«（支持教学目标4）
课时：3周，共9课时
1）显微镜下观察MOSFET器件并测量MOSFET器件的尺寸
2）MOSFET CV特性测量
3）MOSFET 转移、输出特性曲线测量
四、教学方法
授课方式：a.理论课（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布习题和课外拓展学习等）；b.课后练习（按照理论内容进行）；c.实验环节（根据理论课教学内容，要求学生学会简单操作、四探针仪以及探针台并完成实验任务）；d.办公室时间（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内、外内容进行讨论）；e.答疑（全部理论课程和实验课程完成后安排1～2次集中答疑，答疑时间不包括在课程学时内，答疑内容包括讲授内容、习题、实验等）；f.期中和期末闭卷考试。
课程要求：a.理论课：在理论课讲授环节中，应注意概念讲清讲透，并贯彻理论联系实际的原则，注意学生逻辑思维能力、工程观点和分析与解决问题能力的培养。根据本课程的特点，必须严格要求学生独立完成一定数量的习题；b.实验环节：要求学生学会简单操作及探针台级半导体参数分析仪，正确地读取和记录实验数据、绘制图表，培养学生良好的实验习惯，树立实事求是和严肃认真的科学作风，根据实验数据和实验结果撰写实验报告，具有对实验结果进行分析和解释的能力。
五、考核及成绩评定方式
1、考核及成绩评定方式
考核方式：闭卷笔试，平时成绩（课堂表现及作业），实验
成绩评定方式：期末成绩45%，期中成绩30%，平时成绩10%，实验成绩15%
课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）
课程教学目标 | 支撑毕业要求 | 考试和评价方式成绩占比（%） | 成绩比例（%） | |||
平时成绩 | 实验成绩 | 期中考试 | 期末考试 | |||
教学目标1 | 毕业要求1.3 | 2 |
| 5 | 10 | 17 |
教学目标2 | 毕业要求1.3 | 3 |
| 15 | 20 | 38 |
教学目标3 | 毕业要求2.3 | 3 |
| 10 | 15 | 28 |
教学目标4 | 毕业要求2.3 | 2 | 15 |
| 0 | 17 |
合计 | 10 | 15 | 30 | 45 | 100 | |
2、考核与评价标准
实验成绩评价标准：
基本要求 | 评价标准 | 成绩比例（%） | |||
优秀 | 良好 | 合格 | 不合格 | ||
能够从CV特性提取栅绝缘层厚度，判断器件类型（支撑毕业要求4-4） | 能够清晰表达MOSFET CV特性的测试原理；准确判断栅绝缘层厚度，半导体导电类型判断准确；实验报告撰写规范，内容完整，条理清晰；自己努力完成，没有抄袭；有核心问题的心得体会、有自己的个人见解和想法。 | 能够清晰表达MOSFET CV特性的测试原理；准确判断栅绝缘层厚度，半导体导电类型判断准确；实验报告撰写规范，内容比较完整；自己努力完成，没有抄袭。有核心问题的心得体会，但自己的个人见解和想法较少。 | 能够描述MOSFET CV特性的测试原理；能够判断判断栅绝缘层厚度，半导体导电类型判断准确；实验报告撰写尚规范，内容基本完整；自己努力完成，没有抄袭。核心问题的心得体会较少，无创意和个人想法。 | 不理解MOSFET CV特性的测试原理；不能判断栅绝缘层厚度和半导体导电类型；没有交实验报告；或者基本上是抄袭；或者内容太空泛，太简单。 | 40 |
能够从IV特性提取器件参数，判断器件类型（支撑毕业要求4-4） | 能够基于半导体物理知识和测量结果，准确提取器件参数，判断器件类型；实验结果画图标准；实验结果分析合理，结论正确。 | 能够基于半导体物理知识和测量结果，提取器件参数，判断器件类型；实验结果画图比较标准；实验结果分析比较合理，结论正确。 | 能够提取器件参数个别错误；实验结果画图比较标准；实验结果分析比较合理，能得出结论。 | 不能提取器件参数，不能判断器件类型；实验结果画图粗糙；无实验结果分析和结论。 | 60 |
注：该表格中比例为各个实验占实验总成绩的比例。
期中考试考核评价标准
| 基本要求 | 达成情况评价标准 | 成绩比例（%） | |||
优秀³0.9 | 良好³0.7 | 合格³0.6 | 不合格<0.6 | |||
教学目标1 | 掌握半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线 | 概念清晰，能准确地描述半导体器件的结构，工作原理和典型的电学特性曲线。 | 概念较清晰，基本能描述半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线。 | 掌握基本概念，知道半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线。 | 概念不清楚，并原子密度和价键密度完全不了解。 | 30 |
教学目标2 | 掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数 | 清晰掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线准确提取半导体器件的关键参数 | 掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数 | 了解影响半导体器件的关键特性参数，可以从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的部分关键参数 | 不了解影响半导体器件的关键特性参数，不能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的部分关键参数 | 35 |
教学目标3 | 能够基于半导体器件的工作原理和技术局限，设计并提出改进方案 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出优化的改进方案，改善器件特性 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出比较合理改进方案，改善器件特性 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出合理改进方案，部分改善器件特性 | 不能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出合理改进方案 | 35 |
注：该表格中比例为期中考试卷各教学目标所占成绩比例。
期末考试考核评价标准
| 基本要求 | 达成情况评价标准 | 成绩比例（%） | |||
优秀>0.9 | 良好>0.7 | 合格>0.6 | 不合格<0.6 | |||
教学目标1 | 掌握半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线 | 概念清晰，能准确地描述半导体器件的结构，工作原理和典型的电学特性曲线。 | 概念较清晰，基本能描述半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线。 | 掌握基本概念，知道半导体器件的结构，工作原理，和典型的电学特性曲线。 | 概念不清楚，并原子密度和价键密度完全不了解。 | 30 |
教学目标2 | 掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数 | 清晰掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线准确提取半导体器件的关键参数 | 掌握影响半导体器件的关键特性参数，并能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数 | 了解影响半导体器件的关键特性参数，可以从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的部分关键参数 | 不了解影响半导体器件的关键特性参数，不能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的部分关键参数 | 35 |
教学目标3 | 能够基于半导体器件的工作原理和技术局限，设计并提出改进方案 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出优化的改进方案，改善器件特性 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出比较合理改进方案，改善器件特性 | 能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出合理改进方案，部分改善器件特性 | 不能够基于半导体器件的工作原理，设计并提出合理改进方案 | 35 |
注：该表格中比例为期末考试卷各教学目标所占成绩比例。
教材
半导体物理与器件，Donald A. Neamen著，赵毅强等译，电子工业出版社
参考书目
1. 《现代半导体器件物理》施敏
2. 《半导体器件物理基础》曾树荣
3. 《半导体物理学》刘恩科等