微电子器件授课教案.doc

本课程的授课对象是“电子科学与技术（微电子技术方向）”专业和“集成电路设计与集成系统”专业的本科生，属于专业方向选修课。本课程的目的是使学生掌握半导体器件基本方程、PN结二极管、双极结型晶体管与场效应晶体管的基本理论与主要特点。这些内容都是本领域高级专业技术人员所必须掌握的，同时也是后续课程“微电子集成电路”的学习基础。
本课程总学时为72学时，其中课堂讲课60学时，实验12学时。

第1章半导体器件基本方程
授课时数：3学时
一、教学内容及要求
1-1半导体器件基本方程的形式
1-1-1泊松方程
1-1-2输运方程
1-1-3连续性方程
1-1-4方程的积分形式
1-2基本方程的简化与应用举例
半导体器件基本方程是分析一切半导体器件的基本数学工具，无论是解析分析还是数值分析。学生经常抱怨本课的数学公式多，而若理解掌握了半导体器件基本方程，则对于梳理清楚后面出现的大量纷繁复杂的数学公式的头绪有很大的帮助。半导体器件基本方程由三组方程所组成，即：泊松方程、输运方程（或称为电流密度方程）和连续性方程。学生在学习电磁场理论、半导体物理等先修课程时应该已经接触过这些内容，这里只是把它们归纳整理后再作一个集中而简略的阐述。
要求学生掌握一维形式的半导体器件基本方程、电荷控制方程和基本方程的6个应用例子。理解三维形式的半导体器件基本方程、基本方程的积分形式和扩散方程。
二、教学重点与难点
一般来说要从原始形式的半导体器件基本方程出发来求解析解是极其困难的，通常需要先对方程在一定的具体条件下采用某些假设来加以简化，然后再来求其近似解。随着半导体器件的尺寸不断缩小，建立新解析模型的工作也越来越困难，一些假设受到了更大的限制并变得更为复杂。简化的原则是既要使计算变得容易，又要能保证达到足够的精确度。如果把计算的容易度与精确度的乘积作为优值的话，那么从某种意义上来说，对半导体器件的分析问题，就是不断地寻找具有更高优值的简化方法。要向学生反复解释，任何方法都是近似的，关键是看其精确程度和难易程度。此外，有些近似方法在某些条件下能够采用，但在另外的条件下就不能采用，这会在后面的内容中具体体现出来。
三、作业
四、本章参考资料
谢处方、饶克谨，《电磁场与电磁波》，第二版，高等教育出版社，1987
刘恩科、朱秉升、罗晋生，《半导体物理学》，西安交通大学出版社，1998
五、教学后记
务必向学生解释清楚半导体器件基本方程及其各种简化形式的物理意义，这对于使学生加深对半导体器件基本方程的理解与记忆是很有好处的。

第2章PN结
授课时数：18学时
由PN结构成的二极管是最基本的半导体器件。无论是半导体分立器件还是半导体集成电路，都是以PN结为基本单元构成的。例如NPN双极型晶体管的结构，是在两层N型区中夹一薄层P型区，构成两个背靠背的PN结。大部分场效应晶体管中也有两个PN结，只是它们的工作主要不是靠这两个结的特性而已。半导体集成电路中则含有不计其数的PN结。

2-1PN结的平衡状态
授课时数：3学时
一、教学内容及要求
2-1-1空间电荷区的形成
2-1-2内建电场、内建电势与耗尽区宽度
2-1-3能带图
2-1-4线性缓变结
2-1-5耗尽近似和中性近似的适用性（自学）
PN结的平衡状态是指PN结在无外界作用下，宏观上达到稳定的状态。本课中提到的平衡状态主要是指没有外加电压时的状态。PN结的平衡状态是PN结的最基本的状态，掌握了PN结的平衡状态，就掌握了PN结的最基本的特性，并且可以由此推广到非平衡状态。
要求学生掌握空间电荷区的形成过程、内建电场与内建电势的概念及其计算、耗尽区宽度的计算、平衡PN结的能带图。理解突变结与线性缓变结、耗尽近似与中性近似等概念、掺杂浓度与内建电场的斜率之间的关系、从而掺杂浓度与耗尽区宽度之间的关系。了解耗尽近似与中性近似的适用性。
二、教学重点与难点
讲课的主要脉络是，首先对空间电荷区的形成进行定性介绍，使学生建立起物理图象，然后再作定量的数学推导。通过提问“扩散过程会不会一直持续到整块半导体内的载流子都达到均匀分布？”，来启发学生对内建电场与势垒的理解。数学推导要有清晰的思路：首先通过求解泊松方程得到内建电场表达式，再通过对内建电场的积分得到内建电势，若积分上限为变量则得到电势分布，电势分布乘以电子电荷即为电子电位能分布[-qψ(x)]，这就是PN结的能带图。在推导中得到了3个方程，但却有4个未知量，这就要求再增加一个方程。于是引出另一种求内建电势的方法，即通过令电流密度方程为零解出内建电场，再通过对内建电场积分可求得内建电势，这样就减少了一个未知量。
本节的重点是PN结空间电荷区的形成、内建电势的推导与计算、耗尽区宽度的推导与计算。
本节的难点是对耗尽近似的理解。要向学生强调多子浓度与少子浓度相差极其巨大，从