“半導體器件物理”課程教學研究與探索

高清運

(南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300071)

“半導體器件物理”課程主要講授半導體器件的基本結構、工作特性和影響器件參數的因素，理論性強。如何能使學生饒有興趣地學習好該課，為學生下一步學習“集成電路設計”和“集成電路CAD”等課程打下堅實的理論基礎，十分值得研究。本文從器件的結構與制備這些器件所使用的有關工藝、器件的工作特性用集成電路CAD 軟件仿真以及器件參數與電路設計中常用參數有關的三維視角出發，探索相關的教學方法。

1 與“半導體工藝”課程的關系

“半導體器件物理”課程中，我們對所講的每一種器件，都給出其結構和工作特性。結構不同特性也會不同，其結構與制備該器件所使用的工藝有關。在講解器件結構時，若給出目前實現該結構常用的工藝，能使學生快速掌握器件的特性，可以提高學習興趣。比如:對雙極性晶體管，在講解其直流特性時常常介紹兩種結構，即均勻基區晶體管和緩變基區晶體管［1］。目前常用的雙極型集成電路工藝，是在P 型襯底上先做N 型外延，再在N 型外延層上實現NPN 型和PNP 型兩種晶體管［2］。這種平面工藝制作出來的PNP 管為橫向結構，其基區均勻摻雜;NPN 管為縱向結構，其基區非均勻摻雜，即緩變基區。因此，在講解這兩種晶體管的特性之前，先簡單介紹一下采用雙極型平面工藝制造NPN 型和PNP型兩種晶體管的結構圖，在講解均勻基區晶體管的特性時，以PNP 管為例;在講解緩變基區晶體管的特性時，以NPN 管為例，NPN 管的基區會形成一個加速場，所以其直流放大系數更大。這種結合半導體工藝的講授方法，使學生在學習器件的特性時，與其制作結構聯系在一起，更直觀更容易掌握器件的特性，學習效率更高。

2 與“集成電路CAD”課程的關系

“半導體器件物理”課程理論性強，會涉及多個公式。通過公式來說明器件的特性很有說服力，但在一些特殊的地方公式推導過程會很復雜，枯燥乏味。此時，利用軟件仿真會大大降低其復雜性，使學生快速掌握，并能加強記憶。比如:在講雙極型晶體管的共發射極輸出特性時，首先，給出其集電結零偏(飽和區和放大區的分界線);然后，集電結反偏(放大區)，此時可以直接從E-M 方程得出其集電極電流IC和基極電流IB的關系［1］;此后，集電結正偏(飽和區)，如直接從E-M 方程得出其集電極電流IC和基極電流IB以及集電極—發射極之間電壓的關系，式子會很復雜。

“半導體器件物理”教材上通常把工作在飽和區的雙極型晶體管特性簡化為:不同基極電流IB時，其集電極電流IC是相同的［1-3］。但具體是怎樣的呢?可以借助“集成電路CAD”介紹的工具PSpice 軟件來仿真［4］。仿真出工作在飽和區的雙極型晶體管不同基極電流IB時，集電極電流IC和集電極—發射極之間電壓的關系。從仿真結果可以知道，對應不同的基極電流IB時，其集電極電流IC是有差別的。這樣可以擺脫繁雜公式，使學生一目了然，印象深刻。

3 與“集成電路設計”課程的關系

MOS 場效應晶體管是“半導體器件物理”中的一個重要器件，它不僅是常用的分立器件，而且是集成電路設計中的主要的元件。但“半導體器件物理”在講述MOS 場效應晶體管時，會講到它的多個與電路設計有關的參數。例如:在推導MOS 場效應晶體管的電流電壓方程一級近似式時，引入參數δ、溝道下耗盡層電容面密度CD、柵氧化層電容面密度COX、跨導gm以及體效應跨導gmb等。每一個參數在“半導體器件物理”教材中都單獨給出?？紤]這些參數都是CMOS 集成電路設計中常用的參數，在講解這些參數時，我們會多推幾步，得出它們之間的關系。

我們現以NMOS 場效應晶體管為例，作為通用情況，當NMOS 場效應晶體管的源和襯底不短接時，半導體的表面勢為

溝道下反型層的電荷面密度為

溝道下耗盡層電容面密度為

電流電壓方程一級近似式中引入的參數δ 為

由式(3)和(4)可以得到

下面給出gm、gmb與CD、COX之間的關系。當NMOS 場效應晶體管工作在飽和區時，漏電流為

閾電壓為

其中K 為P 型襯底的體因子。

由gm和gmb的定義可知:

由式(3)、(4)和(10)可知有

式(5)和上式把CMOS 集成電路設計中常用的參數和“半導體器件物理”中給出的參數聯系在一起，使學生在學習“集成電路設計”課程時能更清楚電路性能與器件參數之間的關系，在集成電路設計時直接應用以上關系，可簡化設計過程。

4 結語

本文從“半導體器件物理”和與之相關課程的關系出發，給出了講授好“半導體器件物理”課程的方法，使學生能把多門專業課之間的關系梳理清楚，能更快更扎實地學習好“半導體器件物理”，為以后學習其他專業課打下堅實的基礎。

［1］ 陳星弼，張慶中，陳勇.微電子器件(第三版)［M］. 北京:電子工業出版社，2013

［2］ 張為等譯. 模擬電路版圖的藝術［M］. 北京:電子工業出版社，2012

［3］ 曾樹榮. 半導體器件物理基礎(第二版)［M］. 北京:北京大學出版社，2007

［4］ 高文煥，汪蕙. 模擬電路的計算機分析與設計------PSpice 程序應用［M］. 北京:清華大學出版社，2006