“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)研究與探索

高清運(yùn)

(南開(kāi)大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300071)

“半導(dǎo)體器件物理”課程主要講授半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、工作特性和影響器件參數(shù)的因素，理論性強(qiáng)。如何能使學(xué)生饒有興趣地學(xué)習(xí)好該課，為學(xué)生下一步學(xué)習(xí)“集成電路設(shè)計(jì)”和“集成電路CAD”等課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，十分值得研究。本文從器件的結(jié)構(gòu)與制備這些器件所使用的有關(guān)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(shù)與電路設(shè)計(jì)中常用參數(shù)有關(guān)的三維視角出發(fā)，探索相關(guān)的教學(xué)方法。

1 與“半導(dǎo)體工藝”課程的關(guān)系

“半導(dǎo)體器件物理”課程中，我們對(duì)所講的每一種器件，都給出其結(jié)構(gòu)和工作特性。結(jié)構(gòu)不同特性也會(huì)不同，其結(jié)構(gòu)與制備該器件所使用的工藝有關(guān)。在講解器件結(jié)構(gòu)時(shí)，若給出目前實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)常用的工藝，能使學(xué)生快速掌握器件的特性，可以提高學(xué)習(xí)興趣。比如:對(duì)雙極性晶體管，在講解其直流特性時(shí)常常介紹兩種結(jié)構(gòu)，即均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)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(shí)現(xiàn)NPN 型和PNP 型兩種晶體管［2］。這種平面工藝制作出來(lái)的PNP 管為橫向結(jié)構(gòu)，其基區(qū)均勻摻雜;NPN 管為縱向結(jié)構(gòu)，其基區(qū)非均勻摻雜，即緩變基區(qū)。因此，在講解這兩種晶體管的特性之前，先簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)圖，在講解均勻基區(qū)晶體管的特性時(shí)，以PNP 管為例;在講解緩變基區(qū)晶體管的特性時(shí)，以NPN 管為例，NPN 管的基區(qū)會(huì)形成一個(gè)加速場(chǎng)，所以其直流放大系數(shù)更大。這種結(jié)合半導(dǎo)體工藝的講授方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)器件的特性時(shí)，與其制作結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，更直觀更容易掌握器件的特性，學(xué)習(xí)效率更高。

2 與“集成電路CAD”課程的關(guān)系

“半導(dǎo)體器件物理”課程理論性強(qiáng)，會(huì)涉及多個(gè)公式。通過(guò)公式來(lái)說(shuō)明器件的特性很有說(shuō)服力，但在一些特殊的地方公式推導(dǎo)過(guò)程會(huì)很復(fù)雜，枯燥乏味。此時(shí)，利用軟件仿真會(huì)大大降低其復(fù)雜性，使學(xué)生快速掌握，并能加強(qiáng)記憶。比如:在講雙極型晶體管的共發(fā)射極輸出特性時(shí)，首先，給出其集電結(jié)零偏(飽和區(qū)和放大區(qū)的分界線);然后，集電結(jié)反偏(放大區(qū))，此時(shí)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(guān)系［1］;此后，集電結(jié)正偏(飽和區(qū))，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(fā)射極之間電壓的關(guān)系，式子會(huì)很復(fù)雜。

“半導(dǎo)體器件物理”教材上通常把工作在飽和區(qū)的雙極型晶體管特性簡(jiǎn)化為:不同基極電流IB時(shí)，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(lái)仿真［4］。仿真出工作在飽和區(qū)的雙極型晶體管不同基極電流IB時(shí)，集電極電流IC和集電極—發(fā)射極之間電壓的關(guān)系。從仿真結(jié)果可以知道，對(duì)應(yīng)不同的基極電流IB時(shí)，其集電極電流IC是有差別的。這樣可以擺脫繁雜公式，使學(xué)生一目了然，印象深刻。

3 與“集成電路設(shè)計(jì)”課程的關(guān)系

MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是“半導(dǎo)體器件物理”中的一個(gè)重要器件，它不僅是常用的分立器件，而且是集成電路設(shè)計(jì)中的主要的元件。但“半導(dǎo)體器件物理”在講述MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，會(huì)講到它的多個(gè)與電路設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)。例如:在推導(dǎo)MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流電壓方程一級(jí)近似式時(shí)，引入?yún)?shù)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(dǎo)gm以及體效應(yīng)跨導(dǎo)gmb等。每一個(gè)參數(shù)在“半導(dǎo)體器件物理”教材中都單獨(dú)給出?？紤]這些參數(shù)都是CMOS 集成電路設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)，在講解這些參數(shù)時(shí)，我們會(huì)多推幾步，得出它們之間的關(guān)系。

我們現(xiàn)以NMOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，作為通用情況，當(dāng)NMOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源和襯底不短接時(shí)，半導(dǎo)體的表面勢(shì)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(jí)近似式中引入的參數(shù)δ 為

由式(3)和(4)可以得到

下面給出gm、gmb與CD、COX之間的關(guān)系。當(dāng)NMOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，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(shè)計(jì)中常用的參數(shù)和“半導(dǎo)體器件物理”中給出的參數(shù)聯(lián)系在一起，使學(xué)生在學(xué)習(xí)“集成電路設(shè)計(jì)”課程時(shí)能更清楚電路性能與器件參數(shù)之間的關(guān)系，在集成電路設(shè)計(jì)時(shí)直接應(yīng)用以上關(guān)系，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從“半導(dǎo)體器件物理”和與之相關(guān)課程的關(guān)系出發(fā)，給出了講授好“半導(dǎo)體器件物理”課程的方法，使學(xué)生能把多門專業(yè)課之間的關(guān)系梳理清楚，能更快更扎實(shí)地學(xué)習(xí)好“半導(dǎo)體器件物理”，為以后學(xué)習(xí)其他專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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

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

［3］ 曾樹(shù)榮. 半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)(第二版)［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，2007

［4］ 高文煥，汪蕙. 模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)------PSpice 程序應(yīng)用［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2006