微

電

子

器

件電子科技大學微電子與固體電子學院授課教師：張建國辦公室：計算機學院112房間電話：

028－83203830-mail:

si_laser@

jgzhang@2

總學時數：64學時其中課堂講授：52

學時，實驗：12

學時

成績構成：期末考試：70

分、期中考試：10分、平時成績：10

分、實驗成績：10

分上課安排第1周~第13周，共52課時每周4學時周三5、6節C408

周五3、4節C408相關課程：半導體物理、固體物理答疑時間：4研究領域：硅基光電子學（Silicon-basedOptoelectronics

）研究方向：硅基光電材料與器件，包括

1、硅基摻鉺光波導放大器（EDWA)2、硅基電注入激光器參考：/go/sp/

/

/uoeg/問題：1、半導體工業發展到現在有哪幾項革命性的器件？

2、估算單個MOS管運算速度。3、為什么單核CPU主頻（10億次）最近十多年很難繼續往

上提升？CPU芯片中金屬連線長度的演化摩爾定律（每隔12到18個月集成度增加一倍，性能也提升一倍）6RCtimeconstantsR=ρL/AC=kA/d金屬連線瓶頸（電子是傳輸信號的載體）

7《半導體制造技術》

P263

硅基光電集成片上系統(SOC)所需的電子學單元和光子學單元

9*10李國杰*11*12*13*14電子器件發展簡史1904年：真空二極管1907年：真空三極管電子管

美國貝爾實驗室發明的世界上第一支鍺點接觸雙極晶體管1947年：雙極型晶體管1960年：實用的

MOS

場效應管固體器件1950

年發明了結型雙極型晶體管，并于

1956

年獲得諾貝爾物理獎。1956

年出現了擴散工藝，1959

年開發出了

硅平面工藝

，為以后集成電路的大發展奠定了技術基礎。1959

年美國仙童公司（Fairchilds

）開發出了第一塊用硅平面工藝制造的集成電路，并于

2000

年獲得諾貝爾物理獎。1969年：大規模集成電路（LSI，103

~

105元件或102~

5

×103

等效門）1959年：中小規模集成電路（IC）1977年：超大規模集成電路（VLSI，以64KDRAM、16位

CPU為代表）1986年：巨大規模集成電路（ULSI，以4MDRAM為代表，

8

×106元件，91mm2，0.8

m，150mm）1995年：GSI（以1GDRAM為代表，2.2

×109元件，700mm2，

0.18

m，200mm，2000年開始商業化生產）

半導體器件內的載流子在外電場作用下的運動規律可以用一套

基本方程

來加以描述，這套基本方程是分析一切半導體器件的基本數學工具。

半導體器件基本方程是由

麥克斯韋方程組

結合

半導體的固體物理特性

推導出來的。這些方程都是三維的。1.1半導體器件基本方程的形式

第

1

章半導體器件基本方程對于數量場對于矢量場

先來復習場論中的有關內容所以泊松方程又可寫成（1-1b）

分析半導體器件的基本方程包含三組方程。1.1.1泊松方程

（1-1a）式中為靜電勢，它與電場強度之間有如下關系，1.1.2輸運方程

輸運方程又稱為電流密度方程。（1-2）（1-3）

電子電流密度和空穴電流密度都是由漂移電流密度和擴散電流密度兩部分所構成，即1.1.3連續性方程

（1-4）（1-5）

式中，Un

和Up

分別代表電子和空穴的凈復合率。U>0表示凈復合，U<0表示凈產生。

所謂連續性是指

載流子濃度在時空上的連續性，即：造成某體積內載流子增加的原因，一定是載流子對該體積有凈流入和載流子在該體積內有凈產生。1.1.4

方程的積分形式

以上各方程均為微分形式。其中方程(1-1)、(1-4)、(1-5)可根據場論中的積分變換公式而變為積分形式，（1-6）（1-8）（1-7）

上面的方程（1-6）式中，代表電位移。高斯定理，就是大家熟知的

方程(1-7)、(1-8)稱為電子與空穴的

電荷控制方程

，它表示流出某封閉曲面的電流受該曲面內電荷的變化率與電荷的凈復合率所控制。

在用基本方程分析半導體器件時，有兩條途徑，一條是用計算機求

數值解。這就是通常所說的半導體器件的數值模擬；另一條是求基本方程的

解析解，得到解的封閉形式的表達式。但求解析解是非常困難的。一般需先

對基本方程在一定的近似條件下加以簡化后再求解。本課程討論第二條途徑。

半導體器件分析方法1）將整個器件分為若干個區2）在各個區中視具體情況對基本方程做相應的簡化后進行求解。求解微分方程時還需要給出

邊界條件。擴散方程的邊界條件為邊界上的少子濃度與外加電壓之間的關系。于是就可以將外加電壓作為已知量，求解出各個區中的少子濃度分布、少子濃度梯度分布、電場分布、電勢分布、電流密度分布等，最終求得器件的各個端電流。這些就是本課程的主要內容。（1-9）（1-10）（1-11）（1-12）（1-13）1.2基本方程的簡化與應用舉例

最重要的簡化是三維形式的方程簡化為一維形式，得到

在此基礎上再根據不同的具體情況還可進行各種不同形式的簡化。

例1.1對于方程(1-9)

（1-14）在耗盡區中，可假設p=n=0，又若在N

型耗盡區中，則還可忽略

NA

，得若在P

型耗盡區中，則得

例1.2

對于方程（1-10），（1-16）當載流子濃度和電場很小而載流子濃度的梯度很大時，則漂移電流密度遠小于擴散電流密度，可以忽略漂移電流密度，方程（1-10）簡化為反之，則可以忽略擴散電流密度，方程（1-10）簡化為

例1.3

對于方程(1-12)、(1-13)中的凈復合率U，當作如下假設：(1)復合中心對電子與空穴有相同的俘獲截面；(2)復合中心的能級與本征費米能級相等，則U

可表為式中，

代表載流子壽命，

如果在P

型區中，且滿足小注入條件，則

同理，在N

型區中，于是得（1-18）（1-19）（1-17）

例1.4

將電子擴散電流密度方程

(1-16)

同理可得

空穴的擴散方程，

（1-23）（1-21）代入電子連續性方程(1-12)設

Dn為常數，再將

Un

的表達式代入，可得

電子的擴散方程，

例1.5

對于泊松方程的積分形式(1-6)，（1-25）

也可對積分形式的基本方程進行簡化。在N型耗盡區中可簡化為式中，，分別代表體積

V內的電子總電荷量和非平衡電子總電荷量。

例1.6

對于方程(1-7)（1-7）將電子凈復合率的方程(