“半导体器件物理”课程教学研究与探索

2014-07-05高清运

电气电子教学学报 2014年6期

高清运

(南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071)

“半导体器件物理”课程主要讲授半导体器件的基本结构、工作特性和影响器件参数的因素，理论性强。如何能使学生饶有兴趣地学习好该课，为学生下一步学习“集成电路设计”和“集成电路CAD”等课程打下坚实的理论基础，十分值得研究。本文从器件的结构与制备这些器件所使用的有关工艺、器件的工作特性用集成电路CAD 软件仿真以及器件参数与电路设计中常用参数有关的三维视角出发，探索相关的教学方法。

1 与“半导体工艺”课程的关系

“半导体器件物理”课程中，我们对所讲的每一种器件，都给出其结构和工作特性。结构不同特性也会不同，其结构与制备该器件所使用的工艺有关。在讲解器件结构时，若给出目前实现该结构常用的工艺，能使学生快速掌握器件的特性，可以提高学习兴趣。比如:对双极性晶体管，在讲解其直流特性时常常介绍两种结构，即均匀基区晶体管和缓变基区晶体管［1］。目前常用的双极型集成电路工艺，是在P 型衬底上先做N 型外延，再在N 型外延层上实现NPN 型和PNP 型两种晶体管［2］。这种平面工艺制作出来的PNP 管为横向结构，其基区均匀掺杂;NPN 管为纵向结构，其基区非均匀掺杂，即缓变基区。因此，在讲解这两种晶体管的特性之前，先简单介绍一下采用双极型平面工艺制造NPN 型和PNP型两种晶体管的结构图，在讲解均匀基区晶体管的特性时，以PNP 管为例;在讲解缓变基区晶体管的特性时，以NPN 管为例，NPN 管的基区会形成一个加速场，所以其直流放大系数更大。这种结合半导体工艺的讲授方法，使学生在学习器件的特性时，与其制作结构联系在一起，更直观更容易掌握器件的特性，学习效率更高。

2 与“集成电路CAD”课程的关系

“半导体器件物理”课程理论性强，会涉及多个公式。通过公式来说明器件的特性很有说服力，但在一些特殊的地方公式推导过程会很复杂，枯燥乏味。此时，利用软件仿真会大大降低其复杂性，使学生快速掌握，并能加强记忆。比如:在讲双极型晶体管的共发射极输出特性时，首先，给出其集电结零偏(饱和区和放大区的分界线);然后，集电结反偏(放大区)，此时可以直接从E-M 方程得出其集电极电流IC和基极电流IB的关系［1］;此后，集电结正偏(饱和区)，如直接从E-M 方程得出其集电极电流IC和基极电流IB以及集电极—发射极之间电压的关系，式子会很复杂。

“半导体器件物理”教材上通常把工作在饱和区的双极型晶体管特性简化为:不同基极电流IB时，其集电极电流IC是相同的［1-3］。但具体是怎样的呢?可以借助“集成电路CAD”介绍的工具PSpice 软件来仿真［4］。仿真出工作在饱和区的双极型晶体管不同基极电流IB时，集电极电流IC和集电极—发射极之间电压的关系。从仿真结果可以知道，对应不同的基极电流IB时，其集电极电流IC是有差别的。这样可以摆脱繁杂公式，使学生一目了然，印象深刻。

3 与“集成电路设计”课程的关系

MOS 场效应晶体管是“半导体器件物理”中的一个重要器件，它不仅是常用的分立器件，而且是集成电路设计中的主要的元件。但“半导体器件物理”在讲述MOS 场效应晶体管时，会讲到它的多个与电路设计有关的参数。例如:在推导MOS 场效应晶体管的电流电压方程一级近似式时，引入参数δ、沟道下耗尽层电容面密度CD、栅氧化层电容面密度COX、跨导gm以及体效应跨导gmb等。每一个参数在“半导体器件物理”教材中都单独给出。考虑这些参数都是CMOS 集成电路设计中常用的参数，在讲解这些参数时，我们会多推几步，得出它们之间的关系。

我们现以NMOS 场效应晶体管为例，作为通用情况，当NMOS 场效应晶体管的源和衬底不短接时，半导体的表面势为