《微电子器件》课程教学大纲 课程英文名称：Microelectronic Devices 课程代码：G0303540 学时数：48 学分数：3 学时分配：理论48 课程类型：专业核心课程 适用学科专业：微电子科学与工程 先修课程：半导体物理 执笔者：任敏 编写日期：2019.12 审核人： 一、课程简介：本课程的授课对象是“微电子科学与工程”专业和“集成电路设计与集成系统”专 业的本科生，属于专业核心课程，本课程同时也是本专业其它后续课程如《集成电路原理》等的先 修课程。本课程讲授的主要内容是三种典型(PN结、BT和MOSFET)微电子器件的基本原理、 基本结构、工作特性。 二、课程目标：本课程的目的是使学生熟练掌握典型微电子器件(PN结、BJT和MOSFET等) 的基本结构、原理和电学特性，深入理解器件宏观特性与微观结构参数之间的内在联系、器件电学 特性与集成电路性能之间的内在联系。本课程强调器件分析方法的学习，培养学生举一反三、触类 旁通的能力，使学生初步具备器件设计能力，为在微电子领域的进一步学习研究打下扎实基础。同 时，以立德树人为根本，使学生在获取专业知识的同时，达到社会主义核心价值观的重塑、个人修 养和科学思维的提升，实现全面发展。具体包括：1)认清微电子行业国际国内现状，理解国家在 微电子领域的重大需求，具有科技报国的家国情怀和社会责任感。2)具有追求真理、勇攀高峰的 科学精神，具有探索微电子未知领域的好奇心，敢于创新、善于创新。3)具备较强的实践能力， 具有采用马克思主义唯物辩证法及其方法论来正确认识、分析和解决微电子领域实际问题的能力。 4)具有较高的人文素养、表达能力，具备一定的行业前瞻性眼光和国际化视野。 三、课程内容安排和要求 (一)教学内容、要求及教学方法 第一章基本半导体方程(2学时) 1教学内容 (1)、晶体管的发展简史 (2)、基本半导体方程 2思政内容
《微电子器件》课程教学大纲 课程英文名称：Microelectronic Devices 课程代码：G0303540 学 时 数 ：48 学 分 数：3 学时分配：理论 48 课程类型：专业核心课程 适用学科专业： 微电子科学与工程 先修课程：半导体物理 执 笔 者：任敏 编写日期：2019.12 审 核 人： 一、课程简介：本课程的授课对象是“微电子科学与工程”专业和“集成电路设计与集成系统”专 业的本科生，属于专业核心课程，本课程同时也是本专业其它后续课程如《集成电路原理》等的先 修课程。本课程讲授的主要内容是三种典型（PN 结、BJT 和 MOSFET）微电子器件的基本原理、 基本结构、工作特性。 二、课程目标：本课程的目的是使学生熟练掌握典型微电子器件（PN 结、BJT 和 MOSFET 等） 的基本结构、原理和电学特性，深入理解器件宏观特性与微观结构参数之间的内在联系、器件电学 特性与集成电路性能之间的内在联系。本课程强调器件分析方法的学习，培养学生举一反三、触类 旁通的能力，使学生初步具备器件设计能力，为在微电子领域的进一步学习研究打下扎实基础。同 时，以立德树人为根本，使学生在获取专业知识的同时，达到社会主义核心价值观的重塑、个人修 养和科学思维的提升，实现全面发展。具体包括：1）认清微电子行业国际国内现状，理解国家在 微电子领域的重大需求，具有科技报国的家国情怀和社会责任感。2）具有追求真理、勇攀高峰的 科学精神，具有探索微电子未知领域的好奇心，敢于创新、善于创新。3）具备较强的实践能力， 具有采用马克思主义唯物辩证法及其方法论来正确认识、分析和解决微电子领域实际问题的能力。 4）具有较高的人文素养、表达能力，具备一定的行业前瞻性眼光和国际化视野。 三、课程内容安排和要求 （一）教学内容、要求及教学方法 第一章 基本半导体方程（2 学时） 1 教学内容 (1)、晶体管的发展简史 (2)、基本半导体方程 2 思政内容
(1)在晶体管发展简史的讲解过程中，引入对中美贸易战、中兴华为事件等社会热点问题，以 及国家对集成电路领域的扶持政策，引导学生开展讨论。 (2)半导体基本方程是由麦克斯韦方程组结合半导体的固体物理特性推导而来，毛泽东思想是 马列主义与中国革命的具体实践相结合的产物。二者作类比，生动形象的提炼出“具体问题具体分 析”的矛盾特殊性原理。 3教学要求 (1)掌握一维形式的泊松方程、电子与空穴的电流密度方程、电子与空穴的连续性方程，掌握 基本半导体方程的主要简化形式。 (2)让学生认识到我们与国外先进水平的差距，也认识到我国在集成电路领域的投入和努力， 激励学生树立至诚报国的理想追求。引导学生回顾中国革命的历程，坚定拥护中国共产党的信念。 4教学重点与难点 本章的重点是一维形式的基本半导体方程、连续性方程的积分形式（电荷控制方程）和方程的 各种简化形式。 本章的难点是在什么条件下对方程作什么样的简化。 5作业 复习半导体物理相关知识，特别是非平衡载流子的输运过程与金属/半导体接触。 第二章PN结(16学时) 1教学内容 (I)PN结的平衡状态 (2)、PN结的直流电流电压方程 (3)、准费米能级与大注入效应 (4)PN结的击穿 (⑤)、PN结的势垒电容 (6)、PN结小信号交流特性与扩散电容 (T)、PN结的开关特性 2思政内容 (1)从PN结的“耗尽”近似和“中性”近似引申出要解决问题要“抓住主要矛盾”。 (2)从PN结发生大注入时，准电中性条件和自建电场之间的关系引申出“矛盾的对立统一”。 3教学要求
（1）在晶体管发展简史的讲解过程中，引入对中美贸易战、中兴华为事件等社会热点问题，以 及国家对集成电路领域的扶持政策，引导学生开展讨论。 （2）半导体基本方程是由麦克斯韦方程组结合半导体的固体物理特性推导而来，毛泽东思想是 马列主义与中国革命的具体实践相结合的产物。二者作类比，生动形象的提炼出“具体问题具体分 析”的矛盾特殊性原理。 3 教学要求 （1）掌握一维形式的泊松方程、电子与空穴的电流密度方程、电子与空穴的连续性方程，掌握 基本半导体方程的主要简化形式。 （2）让学生认识到我们与国外先进水平的差距，也认识到我国在集成电路领域的投入和努力， 激励学生树立至诚报国的理想追求。引导学生回顾中国革命的历程，坚定拥护中国共产党的信念。 4 教学重点与难点 本章的重点是一维形式的基本半导体方程、连续性方程的积分形式（电荷控制方程）和方程的 各种简化形式。 本章的难点是在什么条件下对方程作什么样的简化。 5 作业 复习半导体物理相关知识，特别是非平衡载流子的输运过程与金属/半导体接触。 第二章 PN 结（16 学时） 1 教学内容 (1)、PN 结的平衡状态 (2)、PN 结的直流电流电压方程 (3)、准费米能级与大注入效应 (4)、PN 结的击穿 (5)、PN 结的势垒电容 (6)、PN 结小信号交流特性与扩散电容 (7)、PN 结的开关特性 2 思政内容 （1）从 PN 结的“耗尽”近似和“中性”近似引申出要解决问题要“抓住主要矛盾”。 （2）从 PN 结发生大注入时，准电中性条件和自建电场之间的关系引申出“矛盾的对立统一”。 3 教学要求
(1)了解突变结与线性缓变结、PN结的平衡状态，理解空间电荷区的形成，掌握内建电场与 扩散电势差、PN结在正向及反向电压下的能带图、少子分布与伏安特性，理解正向导通电压、大 注入效应，掌握PN结的击穿特性、PN结的势垒电容与扩散电容、交流小信号参数与等效电路、 PN结的开关特性。 (2)向学生灌输辩证唯物主义的思维方法，加强学生的哲学素养和科学思维。 4教学重点与难点 本章的重点是PN结空间电荷区的形成、少数载流子的边界条件、正向与反向下的少子分布、 PN结的伏安特性、大注入条件、势垒电容与扩散电容的概念及其计算、少子存储效应、雪崩击穿 的概念及击穿电压的计算。 本章的难点是PN结内建电场的计算、少子分布的推导与少子分布图、大注入时的内建电场与 Webster效应、扩散电容表达式的推导、雪崩倍增因子的推导等。 5作业 教材本章习题：3、4、6、7、8、20、26、31、34、35、39 第三章双极结型晶体管（14学时) 1教学内容 (1)人双极结型晶体管基础 (2)、均匀基区晶体管的电流放大系数 (3)、缓变基区晶体管的电流放大系数 (4)、双极结型晶体管的电流电压方程 (⑤)双极结型晶体管的反向特性 (6)、电流放大系数与频率的关系 (7)、高频小信号电流电压方程与等效电路 2思政内容 (1)从双极型晶体管的构建思路中引申出“类比法”的逻辑思维方式。 (2)引入案例：本团队研制的高精度双极型差分对管已应用于国防装备中，产生了上亿元的经 济效益，获得2010年国家科技进步二等奖。 (3)高频晶体管设计时，各电学参数之间存在着相互制约关系，不可能设计出所有参数都最优 的器件，只能根据具体应用进行折中设计。从该案例引申出解决问题要“抓住主要矛盾”。 3教学要求
（1）了解突变结与线性缓变结、PN 结的平衡状态，理解空间电荷区的形成，掌握内建电场与 扩散电势差、PN 结在正向及反向电压下的能带图、少子分布与伏安特性，理解正向导通电压、大 注入效应，掌握 PN 结的击穿特性、PN 结的势垒电容与扩散电容、交流小信号参数与等效电路、 PN 结的开关特性。 （2）向学生灌输辩证唯物主义的思维方法，加强学生的哲学素养和科学思维。 4 教学重点与难点 本章的重点是 PN 结空间电荷区的形成、少数载流子的边界条件、正向与反向下的少子分布、 PN 结的伏安特性、大注入条件、势垒电容与扩散电容的概念及其计算、少子存储效应、雪崩击穿 的概念及击穿电压的计算。 本章的难点是 PN 结内建电场的计算、少子分布的推导与少子分布图、大注入时的内建电场与 Webster 效应、扩散电容表达式的推导、雪崩倍增因子的推导等。 5 作业 教材本章习题：3、4、6、7、8、20、26、31、34、35、39 第三章 双极结型晶体管（14 学时） 1 教学内容 (1)、双极结型晶体管基础 (2)、均匀基区晶体管的电流放大系数 (3)、缓变基区晶体管的电流放大系数 (4)、双极结型晶体管的电流电压方程 (5)、双极结型晶体管的反向特性 (6)、电流放大系数与频率的关系 (7)、高频小信号电流电压方程与等效电路 2 思政内容 （1）从双极型晶体管的构建思路中引申出“类比法”的逻辑思维方式。 （2）引入案例：本团队研制的高精度双极型差分对管已应用于国防装备中，产生了上亿元的经 济效益，获得 2010 年国家科技进步二等奖。 （3）高频晶体管设计时，各电学参数之间存在着相互制约关系，不可能设计出所有参数都最优 的器件，只能根据具体应用进行折中设计。从该案例引申出解决问题要“抓住主要矛盾”。 3 教学要求
(1)了解均匀基区与缓变基区，理解晶体管的基区输运系数与发射结注入效率，掌握晶体管的 直流电流放大系数，理解发射区重掺杂效应，了解倒向晶体管，掌握埃伯斯-莫尔方程、晶体管直 流输入输出特性方程及特性图、基区宽度调变效应、晶体管的各种反向电流与击穿电压、理解基极 电阻，掌握交流小信号基区输运系数注入效率电流放大系数等随频率的变化关系，理解交流小信号 电流电压方程及等效电路、掌握高频晶体管的特征频率、最大功率增益与最高振荡频率。 (2)培养学生运用基本理论解决工程实际问题的能力，加强学生的思辨思维的培养。增强学生 的爱国情怀，鼓励学生投身国防事业，上国家建设的大舞台。 4教学重点与难点 本章的重点是均匀基区与缓变基区晶体管的直流电流放大系数，包括基区输运系数和发射结注 入效率的概念、发射区重掺杂效应、基区宽度调变效应、晶体管的直流电流电压方程及其简单应用、 晶体管中的各种反向电流和各种击穿电压、基极电阻的概念、晶体管的直流小信号电流电压方程与 等效电路。随频率变化的基区输运系数、随频率变化的电流放大系数、各种截止频率、特征频率及 与之有关的4个主要时间常数、特征频率的测量、晶体管的交流小信号电流电压方程、混合π等效 电路与T形等效电路、功率增益和最高振荡频率、设计高频管时要解决的几个主要矛盾、高频管的 结构。 本章的难点是晶体管内部的电流变化情形、缓变基区晶体管的内建电场、缓变基区晶体管的电 流密度与载流子分布、方块电阻与注入效率的关系、基区宽度随集电结电压的变化率、测量BVC0 时出现的负阻现象、晶体管的直流小信号电流电压方程的建立等。基区输运系数的精确公式、基区 输运系数与发射结扩散电容的关系、集电结耗尽层延迟时间、交流小信号电流电压方程的建立、T 形等效电路的转化、影响特征频率与功率增益的各种因素等。 5作业 本章习题：1、2、6、9、10、12、15、22、27、39、59、63、65 第四章绝缘栅场效应晶体管(16学时) 1教学内容 (I)人MOSFET基础 (2)MOSFET的阈电压 (3)、MOSFET的直流电流电压方程 (4)MOSFET的亚阈区导电 (⑤)MOSFET的直流参数及其与温度特性 (6)、MOSFET的小信号参数、高频等效电路及其频率特性
（1）了解均匀基区与缓变基区，理解晶体管的基区输运系数与发射结注入效率，掌握晶体管的 直流电流放大系数，理解发射区重掺杂效应，了解倒向晶体管，掌握埃伯斯-莫尔方程、晶体管直 流输入输出特性方程及特性图、基区宽度调变效应、晶体管的各种反向电流与击穿电压、理解基极 电阻，掌握交流小信号基区输运系数注入效率电流放大系数等随频率的变化关系，理解交流小信号 电流电压方程及等效电路、掌握高频晶体管的特征频率、最大功率增益与最高振荡频率。 （2）培养学生运用基本理论解决工程实际问题的能力，加强学生的思辨思维的培养。增强学生 的爱国情怀，鼓励学生投身国防事业，上国家建设的大舞台。 4 教学重点与难点 本章的重点是均匀基区与缓变基区晶体管的直流电流放大系数，包括基区输运系数和发射结注 入效率的概念、发射区重掺杂效应、基区宽度调变效应、晶体管的直流电流电压方程及其简单应用、 晶体管中的各种反向电流和各种击穿电压、基极电阻的概念、晶体管的直流小信号电流电压方程与 等效电路。随频率变化的基区输运系数、随频率变化的电流放大系数、各种截止频率、特征频率及 与之有关的 4 个主要时间常数、特征频率的测量、晶体管的交流小信号电流电压方程、混合π等效 电路与 T 形等效电路、功率增益和最高振荡频率、设计高频管时要解决的几个主要矛盾、高频管的 结构。 本章的难点是晶体管内部的电流变化情形、缓变基区晶体管的内建电场、缓变基区晶体管的电 流密度与载流子分布、方块电阻与注入效率的关系、基区宽度随集电结电压的变化率、测量 BVCEO 时出现的负阻现象、晶体管的直流小信号电流电压方程的建立等。基区输运系数的精确公式、基区 输运系数与发射结扩散电容的关系、集电结耗尽层延迟时间、交流小信号电流电压方程的建立、T 形等效电路的转化、影响特征频率与功率增益的各种因素等。 5 作业 本章习题：1、2、6、9、10、12、15、22、27、39、59、63、65 第四章 绝缘栅场效应晶体管（16 学时） 1 教学内容 (1)、MOSFET 基础 (2)、MOSFET 的阈电压 (3)、MOSFET 的直流电流电压方程 (4)、MOSFET 的亚阈区导电 (5)、MOSFET 的直流参数及其与温度特性 (6)、MOSFET 的小信号参数、高频等效电路及其频率特性
(7)、短沟道效应 (8)新器件 2思政内容 (1)从萨之唐方程方程引出半导体领域的华裔科学家：萨之唐、胡正明、施敏等。 (2)引入案例：和华为公司合作的超结MOSFET项目，为华为公司找到了潜在的器件可靠性 风险。通过分享项目过程中的困难和挑战，让学生认识到踏实严谨的工作态度的重要性。 (3)陈星弼院士的“超结器件”的发明，是功率MOSFET领域的重大创新。 3教学要求 (I)理解MOSFET的基本结构与工作原理，掌握MOSFET的阈电压、非饱和区的直流输出特 性方程、饱和漏源电压与饱和漏极电流，理解有效沟道长度调制效应，了解MOSFET的亚阈区导 电特性，掌握MOSFET的温度特性、直流参数、击穿特性、小信号参数、频率特性及高频等效电 路，理解MOSFET的短沟道效应、了解微电子器件发展趋势以及新器件的基本原理。 (2)通过华裔科学家和本校院士的榜样力量，增强学生的自豪感，激励学生科研热情，向学生 传递踏实严谨、开拓创新、追求卓越的科学家精神，弘扬“求实求真、大气大为”的电子科大精 神。 4教学重点与难点 本章的重点是MOSFET的基本结构与工作原理、MOSFET的阈电压及影响阈电压的各种因素、 衬底偏置效应、MOSFET在线性区与饱和区的直流电流电压方程、沟道长度调制效应、MOSFET 的亚阈特性、MOSFET的各种击穿电压、MOSFET直流参数的温度特性、MOSFET的小信号参数 与高频等效电路、短沟道效应及其防止措施。 本章的难点是MOSFET阈电压的推导、MOSFET线性区精确的直流电流电压方程的建立、对 沟道夹断的理解、MOSFET的高频等效电路及其频率特性、各种短沟道效应等。 4作业 本章习题：1、3、4、6、7、9、11 (二)自学内容和要求 1自学内容 (1)耗尽近似和中性近似的适用性 (2)双极结型晶体管的功率特性 (3)半导体异质结器件 (4)二极管、BTJ和MOSFET的SPICE模型
(7)、短沟道效应 (8)、新器件 2 思政内容 （1）从萨之唐方程方程引出半导体领域的华裔科学家：萨之唐、胡正明、施敏等。 （2）引入案例：和华为公司合作的超结 MOSFET 项目，为华为公司找到了潜在的器件可靠性 风险。通过分享项目过程中的困难和挑战，让学生认识到踏实严谨的工作态度的重要性。 （3）陈星弼院士的“超结器件”的发明，是功率 MOSFET 领域的重大创新。 3 教学要求 （1）理解 MOSFET 的基本结构与工作原理，掌握 MOSFET 的阈电压、非饱和区的直流输出特 性方程、饱和漏源电压与饱和漏极电流，理解有效沟道长度调制效应，了解 MOSFET 的亚阈区导 电特性，掌握 MOSFET 的温度特性、直流参数、击穿特性、小信号参数、频率特性及高频等效电 路，理解 MOSFET 的短沟道效应、了解微电子器件发展趋势以及新器件的基本原理。 （2）通过华裔科学家和本校院士的榜样力量，增强学生的自豪感，激励学生科研热情，向学生 传递踏实严谨、开拓创新、追求卓越的科学家精神，弘扬“求实求真、大气大为” 的电子科大精 神。 4 教学重点与难点 本章的重点是 MOSFET 的基本结构与工作原理、MOSFET 的阈电压及影响阈电压的各种因素、 衬底偏置效应、MOSFET 在线性区与饱和区的直流电流电压方程、沟道长度调制效应、MOSFET 的亚阈特性、MOSFET 的各种击穿电压、MOSFET 直流参数的温度特性、MOSFET 的小信号参数 与高频等效电路、短沟道效应及其防止措施。 本章的难点是 MOSFET 阈电压的推导、MOSFET 线性区精确的直流电流电压方程的建立、对 沟道夹断的理解、MOSFET 的高频等效电路及其频率特性、各种短沟道效应等。 4 作业 本章习题：1、3、4、6、7、9、11 （二）自学内容和要求 1 自学内容 (1) 耗尽近似和中性近似的适用性 (2) 双极结型晶体管的功率特性 (3) 半导体异质结器件 (4) 二极管、BTJ 和 MOSFET 的 SPICE 模型
2自学要求 了解耗尽近似的适用性，了解基区扩展效应，了解发射极电流集边效应，能在仿真时正确 选用微电子器件的SPICE模型。 四、考核方式 本课程的期中与期末的考核方式均采用闭卷形式，考试成绩由平时(30%)、期末考核(70%) 三部分构成。其中，平时成绩由期中考试、作业、课堂测验、思政参与度、思政小论文五部分构成， 分别占总成绩的10%、5%、5%、5%、5%。 五、建议教材及参考资料 (一)教材 微电子器件，陈星弼、张庆中、陈勇编著，电子工业出版社，2011年12月第3版 (二)参考资料 1.半导体器件物理（国外名校最新教材精选），施敏、伍国珏著，西安交通大学出版社，2008 年6月第一版 2.半导体物理与器件（国外大学优秀教材一微电子系列（影印版）)，Donarld A.Neamen著， 清华大学出版社，2003年12月第一版
2 自学要求 了解耗尽近似的适用性，了解基区扩展效应，了解发射极电流集边效应，能在仿真时正确 选用微电子器件的 SPICE 模型。 四、考核方式 本课程的期中与期末的考核方式均采用闭卷形式，考试成绩由平时（30%）、期末考核（70%） 三部分构成。其中，平时成绩由期中考试、作业、课堂测验、思政参与度、思政小论文五部分构成， 分别占总成绩的 10%、5%、5%、5%、5%。 五、建议教材及参考资料 （一）教材 微电子器件，陈星弼、张庆中、陈勇编著，电子工业出版社，2011 年 12 月第 3 版 （二）参考资料 1．半导体器件物理（国外名校最新教材精选），施敏、伍国珏著，西安交通大学出版社，2008 年 6 月第一版 2．半导体物理与器件（国外大学优秀教材－微电子系列（影印版）），Donarld A. Neamen 著， 清华大学出版社，2003 年 12 月第一版