建模/设计


主题

电荷载体及输运

半导体中的电子和空穴；本征电导率，掺杂；详述平衡原理和质量守恒；非本征半导体的载流子浓度，P型N型半导体，漂移；迁移率和电导率，过剩载流子；复合；低水平注入和少数载流子寿命；光电导性，扩散；爱因斯坦关系式，扩散问题；准中性和介电松弛；少数载流子的漂移问题。

P-N节

非均匀掺杂半导体中的空间电荷，泊松-玻尔兹曼方程；德拜长度，耗尽近似，空间电荷层的边界条件，中性区扩散问题；i-v 特性，耗尽电容；扩散电容，增量等效电路，发光二极管，载流子的光学注入；光电二极管；太阳能电池。

双极型晶体管

Ebers-Moll大信号模型的由来；正向工作区的简化；基区宽度调制，混合N型增量模型包括厄利效应和电容性器件；BJTs固有的高频限制。

MOS场效应晶体管

MOS 电容器：积累，耗尽，反型层，强反型区；控制阈值电压的因数，MOS晶体管：渐进沟道；i-v特性；沟道长度调制，增量模型包括厄利效应，栅极效应和电容性器件；MOSFETs固有的高频限制。

晶体管电路

各种单端控制型MOSFET 和 BJT 放大器结构； 电阻器和电流源偏置，电流源设计，阻抗负载，电流源负载和有源负载，多级放大器；差分对管；直接耦合，频率响应；密勒效应；开路和短路时间常数法。

数字模块电路；MOS和双极型反相器技术；CMOS；存储单元。开关瞬态响应和门极延迟。

利用SPICE仿真程序作为电路建模工具。


Note: 注意：以上主题的次序并非我们将要在课堂上讨论的次序。


课程目标

通过6.012课程学习，学生将做到：

1. 半导体物理学
   解释和应用基本半导体物理学概念。
   
   
2. 半导体器件
   根据半导体的物理结构,描述、解释和分析一些重要半导体器件的工作原理。
   
   
3. 基于物理学模型
   用基本物理学器件和电路模型解释和分析各种复杂半导体器件，根据特殊需要选择合适模型，并应用这些模型分析，应用这些模型进行多级电路分析。
   
   
4. 电路分析
   分析设计线性放大电路和数字电路。
   
   
5. 设计
   针对综合设计和电路设计问题，明确设计思路并寻求解决方法。

课程成果评估

学生在完成 6.012 课程后将会：

1. 解释和应用半导体漂移，扩散，施主和受主，多数和少数载流子，过剩载流子，低水平注入，少数载流子寿命，准中性，准静态；
2. 解释p-n型二极管基本的物理结构和工作原理；金属氧化物半导体(MOS)电容器，双极型晶体管 (BJTs)，MOS场效应晶体管(MOSFETs)，掌握和应用这些器件的简单大信号电路模型，包括电荷存储；
3. 根据多端非线性电子器件的大信号特性，为它构造一个线性增量(小信号)等效电路模型(LEC)，了解和应用p-n二极管，BJTs和MOSFETs的标准LEC模型，包括电容；
4. 在了解器件结构、尺寸和偏置条件的基础上，确定p-n型二极管， BJTs，和MOSFETs的大信号增量LEC模型参数值；
5. 解释集成电路及器件的设计和制造，了解当今微电子工业的发展趋势；
6. 解释、比较和对输入输出的对比，获得单端控制晶体管的特性，差模、共模线性放大电路工作原理；
7. 用大信号和增量LEC器件模型分析模拟电子电路，包括多级电路，非线性负载和电流源偏置电路；
8. 测定简单电子电路的频率范围，了解BJTs 和 MOSFETs的高频限制；
9. 解释共模MOS逻辑反相器电路的工作原理和特征；
10. 计算CMOS反相器的瞬态特性，解释器件的尺寸和参数是如何影响反相器的转换速度；
11. 了解各器件模型的限制，识别给定问题或情况的最佳模型，证明其合理性；
12. 设计简单的器件和电路以满足规定的要求。

教材

Fonstad, C. G.著《微电子器件和电路》，McGraw-Hill，1994。请查阅勘误表 (PDF).

Neudeck和 Pierret.著《固态元器件的模块系列》，第1-4卷， Addison-Wesley，1983。


习题

问题将在每个周五布置并在布置的下一周提交。你需独立完成这些问题并提交自己的解答。可接受迟交的作业并登记，但不能保证对它们进行评分，这将取决于时间和评分者等多种因素。

我们欢迎协作，但同时我们需知道你和谁合作并解答提出的问题，并且我们希望最后的成果是你自己的劳动成果。如果你和其他同学共同解决了提出的问题，请在你提交的解决方案下注明；这将帮助我们确定解决方案没有被抄袭并且避免你受到责难。


答疑

助教在每周会为各小组上一小时的辅导课，问题的解答会在作业上交后的学习辅导课上下发。


测验

将会两次测验（时间分别安排在两个晚上7:30到9:30），第一个将测验 #1 (日程表的Q1部分) 第二个将测验#2 (日程表的Q2部分)。这些测验将是 "闭卷"形式的，并且你需要自带2页纸张(在测验后要上交)。你也应当带一个计算器，在测验日上没有正式的复习课，但在正常的复习课时间，复习课老师在办公室答疑。


设计问题

有一个课下电路设计实验问题将在19章分配下来(日程表的L19部分)；这个任务要求在复习课23（下午5点）后的两周内完成(日程表的R23部分)，迟交将会影响分数，学生必须提交一个另人满意的设计方案以获得6.012课程的分数。


期末考试

学习此课程的同学最后要参加一个3小时 "闭卷"考试。


评分

我们将利用如下标准来确定你在6.012部分的得分：