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微 电 子 器 件

微 电 子 器 件. 钟 智 勇 办公室： < 三 >217 电话： 83201440 E-mail: zzy@uestc.edu.cn. 微电子器件与半导体器件的关系. 本课程主要涉及半导体器件. 半导体器件研究什么？. 研究半导体器件中 电子或空穴的运动规律 ，如何通过“ 能带裁剪工程 “ ( 构造特定形状的 势垒结构 ) 来控制载流子 ( 电子、空穴 ) 的运动，使其载流子的运动行为 满足特定的要求 。以及在在不同器件结构下，研究其不同方面的 性能 。. 为什么学？－从产业看. 电子工业的 核心 是集成电路. 集成电路

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  1. 微 电 子 器 件 钟 智 勇 办公室：<三>217 电话：83201440 E-mail: zzy@uestc.edu.cn

  2. 微电子器件与半导体器件的关系 本课程主要涉及半导体器件

  3. 半导体器件研究什么？ 研究半导体器件中电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工程“(构造特定形状的势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求。以及在在不同器件结构下，研究其不同方面的性能。

  4. 为什么学？－从产业看

  5. 电子工业的核心是集成电路 集成电路 通过一系列特定的微电子制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。 半导体器件是集成电路的基础

  6. 为什么学？－从课程体系看 • 本课程是“电子科学与技术（微电子技术）”与“集成电路设计与集成系统”专业的一门专业主干课。 • IC的基础 • 数字集成电路的建库等 • 模拟集成电路、射频集成电路设计 • 近代集成电路设计和制造的重要理论基础

  7. 学什么？ 迄今大约有60种主要的半导体(微电子)器件以及100种和主要器件相关的变异器件

  8. P型 半导体 N型 半导体 金属 半导体 金属 绝缘物 半导体 半导体器件的基本组成模块－1 欧姆接触 肖特基接触 金属－半导体接触 (同质）P-N结 MIS结构

  9. 半导体A 半导体B 半导体器件的基本组成模块－2 异质结 超晶格

  10. 学习重点 1.掌握三种器件工作原理、主要特性产生的物理机理； 2.掌握研究与分析微电子器件特性的基本方法 1. pn结 2. 双极性晶体管 3. MOS晶体管 建议阅读与深入学习内容 4.异质结微电子器件 5. 微波与光电微电子器件 6.有机微电子器件 7.纳米（量子）电子器件

  11. 教材与参考书 教材： 晶体管原理与设计，陈星弼，张庆中，2006年 参考书： 1.半导体器件基础，B.L.Anderson, R.L.Anderson, 清华大学出版社，2008年 2.半导体器件基础，Robert F. Pierret, 电子工业出版社，2004年 3.集成电路器件电子学（第三版），Richard S. Muller,电子工业出版社，2004年 4.半导体器件物理与工艺（第二版），施敏，苏州大学出版社，2002年 5.半导体物理与器件（第三版），Donald A. Neamen, 清华大学出版社，2003年 6. Physics of Semiconductor Devices( 3th Edition), S M Sze, Wiley-Interscience, 2007

  12. 其它 总学时数：72 学时 其中课堂讲授：60 学时，实验：12 学时 成绩构成： 期末考试：70 分、期中考试：10分、平时：10 分、实验：10 分 带计算器上课

  13. 第一章 绪 论 1、微电子器件的发展历程

  14. 1947年 Shockley ，Bardeen, Brattain 晶体管 (transistor) 点接触式的 诺贝尔奖 1940 1870 1930 1950 1874年 F.Braun 半导体器件的第1项研究 金属－半导体接触 1907年 H.J.Round 发光二极管 LED 1949年 Shockley p-n结 双极晶体管（BJT〕 1939年 Schottky 肖特基势垒

  15. 第一个点接触式的晶体管 (transistor) 成为电子现代工业的基础 Ge 晶体管 获1956年诺贝尔物理奖

  16. 1960 1950 1952年 Schockley 结型场效应晶体管JFET 第1个半导体场效应器件 1958年 Esaki 隧道二极管 诺贝尔奖 1954年 Chapin, Fuller, Pearson 硅太阳电池，6％ 1957年 Kroemer 异质结双极晶体管 HBT 诺贝尔奖 1952年Ebers 闸流管模型 thyristor

  17. 1962年 Wanlass、C. T. Sah CMOS技术 1970 1960 1960年 Kahng,Atalla 增强型MOSFET 1967年 Kahng, Sze 非挥发存储器 1962年 Hall, Nathan, Quist 半导体激光器 1965年Johnston, DeLoach, Cohen IMPATT二极管 1963年Gunn 渡越电子二极管 Gunn二极管 1968年 Dennard 单晶体管 DRAM 1966年 Mead MESFET

  18. 第一个增强型 MOSFET 利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其上为铝栅 沟道长度：25微米 栅氧化层：1000埃

  19. 第一块单片集成电路，1959， Noyce 第一块集成电路，1958， Kilby Ge 衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743

  20. 1980 1970 1970年 Boyle, Smith CCD器件 1980年 Mimura, Hiyamizu, Fujii, Nanbu MODFET 调制掺杂场效应晶体管 1971年 Intel公司 微处理器 1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管 分水岭： 1970年前发明的器件全部实现商业化

  21. 1990 1980 1984年 Luryi, Katalskys, Gossard, Hendel 电荷注入晶体管 CHINT 1985年 Yokoyama, Imamura, Muto, Hiyamizu , Nishi RHET 共振隧穿热电子晶体管 1984年 Capasso, Kiehl 共振隧穿双极晶体管 RTBT 1980年后出 现了大量的 异质结构器件 和量子效应器件

  22. 电子管 晶体管 集成电路 • 1965年4月，仙童半导体公司的戈登·摩尔（Gorden Moore）在《电子学》杂志上发表文章预言：集成电路芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。 • 1975年，摩尔又在国际电信联盟的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况把增长率修正为每两年（更准确的时间是两者的平均：18个月 ）翻一番。 • 摩尔定律会失效吗？

  23. 2、半导体物理中的基本方程 本课程目的： 三种器件的基本结构，工作原理，主要特性 外电场作用下载流子在器件内的运动规律 数学模型（基本控制方程） 电流密度方程 麦克斯韦方程 连续型方程

  24. 漂移项 扩散项 电流密度方程 载流子的输运方程 在漂移－扩散模型中 方程形式1

  25. 爱因斯坦关系 波耳兹曼关系 方程形式2 电子和空穴的准费米势： 费米势

  26. 半导体物理中Maxwell的具体形式 泊松方程 高斯定律 描述半导体中电场E或静电势ψ的变化规律

  27. 方程的形式1 方程的形式2 可动的 －自由载流子（n,p) 电荷密度 (x) 固定的 －电离的施主、受主

  28. 可动载流子的守恒 连续方程 热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2 电子 空穴 连续性－输运方程 （1-20)

  29. 连续方程的积分形式

  30. 3 、基本方程的求解与简化 能反映参数之间以及参数与器件性能的内在关系，但求解困难 基本方程组 解析解 数值解 精度高，但难以反映参数之间以及参数与器件性能的内在关系 一维简化 本课程的求解方法 分区求解

  31. 一维简化形式 ：

  32. 在此基础上再根据不同的具体情况还可进行各种不同形式的简化。原则：计算容易，且保证足够的精度在此基础上再根据不同的具体情况还可进行各种不同形式的简化。原则：计算容易，且保证足够的精度

  33. 建议复习内容 • 热平衡半导体物理 平衡载流子分布、浓度表达式 • 载流子输运现象 载流子的漂移与扩散运动的物理过程与模型 • 非平衡过剩载流子 载流子的产生与复合、过剩载流子的性质、准费米能级

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