场效应器件物理教学大纲

1、场效应器件物理教学大纲课程编号：MI3221011 课程名称：场效应器件物理 英文名称：Physics of Field-effect Devices学时： 46 学分：3课程类型：限选 课程性质：专业课适用专业：微电子学 先修课程：半导体物理学，半导体器件电子学集成电路设计与集成系统 半导体物理导论开课学期：6 开课院系：微电子学院一、课程的教学目标与任务目标：场效应器件是电压型控制器件，输入阻抗高，驱动功率小，是半导体器件和集成电路发展的重点。本课程的目标是掌握场效应器件相关理论与技术，为场效应器件及其集成电路研究、设计及应用奠定理论基础。任务：掌握常规和现代场效应器件基本类型、结构，掌握

2、场效应器件基本物理特性、电学特性、电学参数表征，掌握场效应器件相关物理效应，了解场效应器件模型，熟悉高性能场效应器件物理，熟悉场效应器件设计及集成场效应器件结构。二、本课程与其它课程的联系和分工本课程的先修课程是半导体物理、半导体物理导论、半导体器件电子学，需具备pn结、金-半结、MIS结构和异质结物理的基本知识，同时本课程是数字集成电路和数字集成电路设计课程的基础。 三、课程内容及基本要求(一) JFET和MESFET基础 (2学时) 具体内容：p型/n型沟道、增强型/耗尽型JFET（结型场效应晶体管）和MESFET（金属-半导体场效应晶体管）的基本结构、基本工作原理，夹断电压、横向压降等基

3、本概念，转移特性和输出特性分析。1.基本要求（1）掌握JFET和MESFET的基本结构及类型。（2）掌握JFET和MESFET的基本工作原理及机理。（3）掌握JFET和MESFET的转移特性、输出特性。2.重点、难点重点：JFET和MESFET的基本结构、工作原理及机理，转移特性和输出特性机理及分析。难点：器件工作机理，转移特性和输出特性机理。3.说明：JFET和MESFET输入端结构不同，工作原理及机理基本相同。（二）JFET和MESFET直流特性 ( 4学时) 具体内容：直流特性物理模型，I-V特性方程的建立，输出电流饱和机理与饱和电压，1 / 8饱和区I-V方程，亚阈特性。1.基本要求（

4、1）掌握JFET和MESFET直流特性物理模型。（2）掌握建立JFET和MESFET I-V特性方程的数理过程。（3）掌握JFET和MESFET输出电流饱和机理。（4）熟悉JFET和MESFET的亚阈特性及相关效应对I-V特性的影响。2.重点、难点重点：直流特性物理模型，I-V方程建立的数理过程，输出电流饱和机理，亚阈特性。难点：电流饱和机理，亚阈特性。3.说明：JFET和MESFET工作原理基本相同，以MESFET为例讨论它们的直流特性。(三) JFET和MESFET直流和交流小信号参数( 3学时)具体内容：JFET和MESFET的直流特性参数、交流小信号跨导和漏导、高场迁移率、温度对电学参

5、数影响、寄生参数对电参数影响、功率特性、噪声特性。1.基本要求（1）掌握JFET和MESFET的直流和交流小信号参数特性及其物理意义。（2）掌握JFET和MESFET的功率特性和噪声特性。（2）掌握JFET和MESFET的高场迁移率及温度等特性。（3）熟悉寄生参数对JFET和MESFET电参数的影响。2.重点、难点重点：JFET和MESFET的交流小信号参数，功率特性，噪声特性，高场迁移率特性，温度等特性，寄生参数对电参数影响及机理。难点：噪声特性及其表征，高场迁移率特性，寄生参数影响电参数的机理。3.说明：跨导是表征JFET和MESFET性能的重要电学参数。(四) JFET和MESFET模型

6、和频率特性( 4学时)具体内容：JFET和MESFET小信号等效电路模型，大信号等效电路模型，等效电路模型参数，特征频率（截止频率）和最高振荡频率及其表征。1.基本要求（1）掌握JFET和MESFET等效电路模型。（2）掌握JFET和MESFET等效电路模型参数。（3）掌握JFET和MESFET频率特性参数及其表征。（4）熟悉寄生参数对JFET和MESFET频率特性的影响。2.重点、难点重点：等效电路模型、等效电路模型参数及其物理意义，频率特性参数及其表征。难点：等效电路模型，等效电路模型参数表征。3.说明：特征频率（截止频率）和最高振荡频率是表征JFET和MESFET的重要电学参数。(五)J

7、FET和MESFET短沟道效应( 5学时)具体内容：肖克莱模型局限性，JFET和MESFET短沟道效应，沟道载流子速度饱和及其机理。1.基本要求（1）熟悉JFET和MESFET短沟道效应。（2）掌握JFET和MESFET短沟道效应物理模型。（3）掌握JFET和MESFET沟道载流子速度饱和及其机理。（4）了解JFET和MESFET短沟道判据。2.重点、难点重点：短沟道效应，短沟道效应物理模型，载流子速度饱和及其机理。难点：短沟道效应物理模型。3.说明：短沟道效应及其物理模型是当前颇受重视的研究领域。 (六) MOSFET基本工作原理(2学时) 具体内容：p型/n型沟道、增强型/耗尽型MOSFE

8、T（金属-二氧化硅-半导体场效应晶体管）的基本结构、基本工作原理、阈值电压、转移特性和输出特性分析。1.基本要求（1）掌握MOSFET基本结构及类型。（2）掌握MOSFET基本工作原理及机理。（3）掌握MOSFET阈值电压等基本概念。（4）掌握MOSFET转移特性、输出特性。2.重点、难点重点：MOSFET基本结构及类型，工作原理及机理，阈值电压，转移特性和输出特性机理及分析。难点：阈值电压，转移特性和输出特性机理。3.说明：MOSFET是金属-绝缘栅-半导体场效应晶体管（MISFET）中绝缘栅采用SiO2的器件，MISFET 与MOSFET的结构、类型、工作原理及机理基本相同。(七) MOS

9、FET直流特性( 4学时) 具体内容：MOSFET直流特性物理模型，I-V特性方程的建立，输出电流饱和机理与饱和电压，饱和区I-V方程，亚阈特性，衬底偏置效应，沟道长度调制效应。1.基本要求（1）掌握MOSFET直流特性物理模型。（2）掌握建立MOSFET I-V特性方程的数理过程。（3）掌握MOSFET输出电流饱和机理。（5）熟悉MOSFET亚阈特性。（6）熟悉MOSFET衬底偏置效应和沟道长度调制效应。2.重点、难点重点：直流特性物理模型，建立I-V方程的数理过程，电流饱和特性分析，亚阈特性。难点：电流饱和机理，亚阈特性。3.说明：直流特性的讨论基于MOSFET的长沟道模型，对于它的局限性

10、，将在本课程的后续内容中进行分析。(八) MOSFET直流和交流小信号参数 (3学时) 具体内容：MOSFET直流特性参数，交流小信号参数，跨导和漏导，寄生参数对电参数影响，功率特性，噪声特性，温度特性。1.基本要求（1）掌握MOSFET直流和交流小信号参数特性及其物理意义。（2）掌握MOSFET的功率特性、噪声特性和温度特性。（3）熟悉寄生参数对MOSFET电学参数影响。2.重点、难点重点：MOSFET直流特性参数，交流小信号参数及其物理意义，功率特性，噪声特性，温度等特性，寄生参数对电参数影响及机理。难点：噪声特性及其表征。3.说明：跨导是表征MOSFET性能的重要电学参数。(九) MOS

11、FET模型和频率特性( 4学时)具体内容：MOSFET小信号等效电路模型，大信号等效电路模型，等效电路模型参数，跨导截止频率，特征频率（截止频率）和最高振荡频率及其表征，开关特性，功率-延迟积。1.基本要求（1）掌握MOSFET等效电路模型。（2）掌握MOSFET等效电路模型参数。（3）掌握MOSFET频率特性及其表征。（4）熟悉MOSFET频率特性与器件结构参数关系。2.重点、难点重点：等效电路模型及其物理意义，频率特性及其表征，频率特性与器件结构参数关系。难点：等效电路模型，频率特性与器件结构参数关系。3.说明：特征频率（截止频率）和最高振荡频率是表征MOSFET性能的重要电学参数。(十)

12、 MOSFET短沟道效应( 6学时)具体内容：MOSFET感应电荷效应，漏感应势垒下降效应，迁移率调制效应，热载流子效应，短沟道特性分析。1.基本要求（1）熟悉短沟道MOSFET电学特性。（2）掌握MOSFET短沟道效应物理模型。（3）掌握MOSFET热载流子效应及其机理。（4）了解MOSFET短沟道判据。2.重点、难点重点：短沟道MOSFET电学特性，短沟道效应物理模型，热载流子效应及其机理。难点：短沟道效应物理模型。3.说明：短沟道效应、热载流子效应是当前颇受重视的研究领域。(十一) 现代场效应晶体管( 5学时)具体内容：LDMOSFET与VDMOSFET的基本结构、原理、特性；SOI M

13、OSFET的基本结构、类型、原理、特性；二维载流子气，MODFET(HEMT)基本结构、原理、特性；MOS栅器件。1.基本要求（1）熟悉现代场效应晶体管基本类型、结构。（2）掌握现代场效应晶体管基本工作原理及特性。（3）掌握现代场效应晶体管物理基础。2.重点、难点重点：现代场效应晶体管基本类型、结构、性能、优点、器件物理基础。难点：现代场效应晶体管器件物理。3.说明：现代场效应晶体管具有频率特性、功率特性等方面的优势。本内容的教学将结合最新研究成果。(十二)场效应晶体管设计( 4学时)具体内容：JFET、MESFET、MOSFET纵横向几何结构参数、材料物理参数与电参数关系分析及设计，器件设计

14、举例。 1.基本要求（1）掌握场效应晶体管纵横向几何结构参数、材料物理参数与电参数关系。（2）掌握场效应晶体管设计原则。（3）通过具体器件设计，熟悉场效应晶体管设计过程、方法、步骤。2.重点、难点重点：场效应晶体管设计原则，场效应晶体管纵横向几何结构参数、材料物理参数与电学参数关系分析。难点：场效应晶体管纵横向几何结构参数、材料物理参数与电学参数关系。3.说明：场效应晶体管的性能主要取决于器件结构的设计与优化。四、教学安排及方式总学时 46 学时，讲课 40 学时，多种教学形式 6 学时 教学环节教学时数课程内容讲 课实 验习 题 课讨 论 课上 机参观或看录像小 计JFET和MESFET基础22JFET和MESFET直流特性44JFET和MESFET直流和交流小信号参数33JFET和MESFET模型和频率特性44JFET和MESFET短沟道效应3115MOSFET基本工作原理22MOSFET直流特性44MOSFET直流和交流小信号参数33MOSFET模型和频率特性44MOSFET短沟道效应4116现代场效应晶体管55场效应晶体管设计224五、考核方式笔试（闭卷）。各教学环节占总分的比例:平时测验及作业：20%，期末考试：80%六、推荐教材与参考资料推荐教材：Donald A. Neamen著，赵毅强等译，半导体物理与器件，北京：电子工业出版社，2005年。Don