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半导体器件物理与工艺

课程代码：SS031016

课程负责人：黄金昭

共建教师：

课程建设：省级优质课程开课学院：物理科学与技术学院

开课时间：2019年12月11日学习人数：117人

有效时间：永久有效评分：

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课程简介

半导体器件物理与工艺是物理学专业研究生的必修课程，该课程融合了普通物理、热力学统计物理、半导体物理、量子力学、晶体学、固体物理、薄膜物理及半导体工艺等多个学科的知识，是将来进一步学习光电子学、微电子学、材料物理、固体发光等众多材料应用学科必不可少的先修课程。本课程主要介绍了现代半导体器件的物理原理和其先进的制造工艺技术。通过课程的学习使学生掌握现代半导体器件的材料基础、器件物理及制造工艺，培养学生的探究意识、创新思维与创新能力，引导学生了解学科前沿，启发研究和探索的兴趣，学习科学的思维方式与研究方法，提高交流表达能力，并能在相关领域开展教学、科研及实践工作，在此基础之上能够创造性地分析和解决问题，并提高科学素养。同时，为后面的课程学习、深造及就业打下坚实的基础。

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教学大纲

《半导体器件物理与工艺》教学大纲

Semiconductor Devices Physics and Technology

课程编号：SS031016

开课学期：春

学时：48

学分：3

开课单位：物理科学与技术学院

大纲撰写人：黄金昭

一、教学目的与要求：

本课程为物理学专业研究生的必修课程。本课程主要介绍了现代半导体器件的物理原理和其先进的制造工艺技术。本课程的教学目的是使学生掌握和了解下列内容：半导体物理，包括能带和热平衡载流子浓度、载流子输运现象；半导体器件，包括p-n结、双极型晶体管及相关器件、MOS电容器及MOSFET、先进的MOSFET及相关器件、MESFET及相关器件、微波二极管、量子效应和热电子器件、发光二极管和激光器、光电探测器和太阳能电池；半导体工艺，包括晶体生长和外延、薄膜淀积、光刻与刻蚀、杂质掺杂、集成器件。通过课程的学习使学生掌握现代半导体器件的物理原理和其先进的制造工艺技术，并能在相关领域开展教学、科研工作，在此基础之上能够解决工程实际问题。

本课程要求学生应具有固体物理、原子物理、量子力学的基本知识，学生在学习中还要完成一定量的课外作业。

二、教学内容、学时分配

第0章引言（3学时）

0.1 半导体器件

0.2 半导体工艺技术

第1部分半导体物理（9学时）

第1章能带和热平衡载流子浓度

1.1 半导体材料

1.2 基本晶体结构

1.3 共价键

1.4 能带

1.5 本征载流子浓度

1.6 施主与受主

第2章载流子输运现象

2.1 载流子漂移

2.2 载流子扩散

2.3 产生与复合过程

2.4 连续性方程

2.5 热离化发射过程

2.6 隧穿过程

2.7 空间电荷效应

2.8 强电场效应

第2部分半导体器件（21学时）

第3章 p-n结

3.1 热平衡状态

3.2 耗尽区

3.3 耗尽电容

3.4 电流-电压特性

3.5 电荷存储与瞬态响应

3.6 结击穿

3.7 异质结

第4章双极型晶体管及相关器件

4.1 晶体管的工作原理

4.2 双极型晶体管的静态特性

4.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性

4.4 非理想效应

4.5 异质结双极型晶体管

4.6 可控硅器件及相关功率器件

第5章 MOS电容器及MOSFET

5.1 理想的MOS电容器

5.2 SiO₂-Si MOS电容器

5.3 MOS电容器中的载流子输运

5.4 电荷耦合器件

5.5 MOSFET基本原理

第6章先进的MOSFET及相关器件（自学）

6.1 MOSFET按比例缩小

6.2 CMOS与BiCMOS

6.3 绝缘层上MOSFET（SOI器件）

6.4 MOS存储器结构

6.5 功率MOSFET

第7章 MESFET及相关器件

7.1 金属-半导体接触

7.2 金半场效应晶体管（MESFET）

7.3 调制掺杂场效应晶体管（MODFET）

第8章微波二极管、量子效应和热电子器件（自学）

8.1 微波频段

8.2 隧道二极管

8.3 碰撞离化雪崩渡越时间二极管

8.4 转移电子器件

8.5 量子效应器件

8.6 热电子器件

第9章发光二极管和激光器

9.1 辐射跃迁和光吸收

9.2 发光二极管

9.3 发光二极管种类

9.4 半导体激光器

第10章光电探测器和太阳能电池

10.1 光电探测器

10.2 太阳能电池

10.3 硅及化合物半导体太阳能电池

10.4 第三代太阳能电池

10.5 聚光

第3部分半导体工艺（12学时）

第11章晶体生长和外延

11.1 融体中单晶硅的生长

11.2 硅的悬浮区熔工艺

11.3 砷化镓晶体的生长技术

11.4 材料特性表征

11.5 外延生长技术

11.6 外延层的结构和缺陷

第12章薄膜淀积

12.1 热氧化

12.2 化学气相淀积介质

12.3 化学气相淀积多晶硅

12.4 原子层淀积

12.5 金属化

第13章光刻与刻蚀

13.1 光学光刻

13.2 下一代光刻技术

13.3 湿法化学腐蚀

13.4 干法刻蚀

第14章杂质掺杂

14.1 基本扩散工艺

14.2 非本征扩散

14.3 扩散相关过程

14.4 注入离子的分布

14.5 注入损伤与退火

14.6 注入相关工艺

第15章集成器件（自学）

15.1 无源元件

15.2 双极型晶体管技术

15.3 MOSFET技术

15.4 MESFET技术

15.5 纳电子学的挑战

复习（3学时）

三、教学方式

1、多媒体授课；

2、课堂讲授；

3、学生研讨；

4、实践学习；

5、课后作业。

四、考核方式

考核形式：考试

课程成绩构成：平时成绩占：40% ；考试成绩占60%（期中考试成绩占40%、期末考试成绩占50%、期末口试成绩占10%）；

平时成绩评定说明：讨论式教学（10%）、专题教学（10%）、实践教学（5%）、课前预习（5%）、出勤（5%）、作业（5%）。

五、先修课程

固体物理，量子力学。

六、教材及教学参考资料

（一）教材

施敏，李明逵。《半导体器件物理与工艺》，苏州，苏州大学出版社，2014年。

（二）推荐书目

刘恩科, 《半导体物理学(第7版)》, 北京，电子工业出版社, 2011年。

孟庆巨, 《半导体器件物理》, 北京，科学出版社, 2009年。

施敏，《半导体器件物理》，西安，西安交通大学出版社，2008年。

叶良修，《半导体物理学 (第7版) 》，北京，电子工业出版社，2011年。

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授课计划

（ 2019-2020 学年第 2 学期）

课程编号： SS031016 课程名称：半导体器件物理与工艺学时： 48 学分： 3

课程性质： R学位课 □非学位课教室类型：R多媒体教师 □普通教室 □实验室

具体考核要求

相关规定：非学位课程一般为考查课，考核方式由任课教师根据课程要求自行确定。学位课程一般应闭卷考试，如需要开卷考试，任课教师须提前提交书面申请，经研究生处批准后方可开卷考试。学位课成绩以考试成绩为主，平时成绩不得超过40%。

考核形式：R考试 □考查；

课程成绩构成：平时成绩占：40% ；期末成绩占60% ；

平时成绩评定说明：出勤及课堂表现（10%）、作业（10%）、理论联系实际（10%）、课堂小贴士（10%）。。

教学目的：

本课程的教学目的是使学生掌握和了解下列内容：半导体物理，包括能带和热平衡载流子浓度、载流子输运现象；半导体器件，包括p-n结、双极型晶体管及相关器件、MOS电容器及MOSFET、先进的MOSFET及相关器件、MESFET及相关器件、发光二极管和激光器、光电探测器和太阳能电池；半导体工艺，包括晶体生长和外延、薄膜淀积、光刻与刻蚀、杂质掺杂。通过课程的学习使学生掌握现代半导体器件的物理原理和其先进的制造工艺技术，并能在相关领域开展教学、科研工作，在此基础之上能够解决工程实际问题。

教材及主要参考书：