微電子器件原理習(xí)題講解2

1、微電子器件習(xí)題微電子器件習(xí)題MOSFETMOSFET10.53 10.53 在一個(gè)特殊的雙極晶體管，基區(qū)在一個(gè)特殊的雙極晶體管，基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間占總時(shí)間的輸運(yùn)時(shí)間占總時(shí)間的20%20%，基區(qū)寬度為，基區(qū)寬度為0.5um,0.5um,基區(qū)擴(kuò)散系數(shù)為基區(qū)擴(kuò)散系數(shù)為D DB B=20cm=20cm2 2/s,/s,試確試確定截止頻率。定截止頻率?；鶇^(qū)輸基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間運(yùn)時(shí)間總輸運(yùn)總輸運(yùn)時(shí)間時(shí)間10.54 假設(shè)一個(gè)雙極晶體管的基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間假設(shè)一個(gè)雙極晶體管的基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間是是100ps，載流子以，載流子以107cm/s的速度穿過的速度穿過1.2um的的BC結(jié)空間電荷區(qū)。結(jié)空間電荷區(qū)。BE結(jié)充電時(shí)間為結(jié)充電時(shí)間為

2、25ps，集電區(qū)電容和電阻分別為，集電區(qū)電容和電阻分別為0.10pF和和10歐。試確定截止頻率。歐。試確定截止頻率。b基區(qū)輸基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間運(yùn)時(shí)間eBE結(jié)結(jié)充電時(shí)間充電時(shí)間d集電結(jié)集電結(jié)耗盡區(qū)渡耗盡區(qū)渡越時(shí)間越時(shí)間C集電集電結(jié)充電結(jié)充電時(shí)間時(shí)間很多同學(xué)分母為很多同學(xué)分母為2Vs（參參考半導(dǎo)體物理與器件考半導(dǎo)體物理與器件P299-10.95式式）影響晶體管頻率的主要影響晶體管頻率的主要是基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間是基區(qū)輸運(yùn)時(shí)間13.313.3一個(gè)一個(gè)P P溝道的硅溝道的硅JFETJFET在在300K300K時(shí)有如下?lián)诫s時(shí)有如下?lián)诫s濃度濃度N Nd d=5=510101818cmcm-3-3，N Na a=3=31

3、0101616cmcm-3-3 。溝道。溝道厚度為厚度為a=0.5uma=0.5um。（a a）估算內(nèi)建夾斷電壓）估算內(nèi)建夾斷電壓V Vp0和夾斷電壓和夾斷電壓V Vp。（b b）計(jì)算）計(jì)算V VGSGS=1V=1V，V VDSDS等于以下值時(shí)最小未耗等于以下值時(shí)最小未耗盡溝道厚度盡溝道厚度a-ha-h：（：（i i）V VDSDS=0,=0,（iiii）V VDSDS=-=-2.5V2.5V，（，（iiiiii）V VDSDS=-5V=-5V2012.5.18第二次習(xí)題在閾值點(diǎn)，在閾值點(diǎn)，h=a，n+p結(jié)的總結(jié)的總電勢(shì)稱為內(nèi)建夾斷電壓電勢(shì)稱為內(nèi)建夾斷電壓Vp0202apsea NV0pbip

4、VVV夾斷電壓（閾電壓）夾斷電壓（閾電壓）Vp：溝：溝道夾斷時(shí)的柵源電壓，對(duì)于道夾斷時(shí)的柵源電壓，對(duì)于p溝耗盡型器件來說有：溝耗盡型器件來說有：內(nèi)建電內(nèi)建電勢(shì)差勢(shì)差2lnadbitN NVVni0.0259tV DVGSn+ap溝道溝道hS1/22()sbiGSaVVhqNKT/q=2012.5.18第二次習(xí)題2012.5.18第二次習(xí)題靠近漏端靠近漏端全耗盡全耗盡13.513.5分析一個(gè)分析一個(gè)N N溝的硅溝的硅JFETJFET，它具有以下參數(shù)，它具有以下參數(shù)：N Na a=3=310101818cmcm-3-3，N Nd d=8=810101616cmcm-3-3 ，a=0.5ma=0.5

5、m（溝道厚度）（溝道厚度）（a a）計(jì)算內(nèi)建夾斷電壓。）計(jì)算內(nèi)建夾斷電壓。（b b）計(jì)算未耗盡溝道寬度為）計(jì)算未耗盡溝道寬度為0.20um0.20um時(shí)所需的時(shí)所需的柵極電壓。柵極電壓。2012.5.18第二次習(xí)題DVGSp+an溝道溝道hS在閾值點(diǎn)，在閾值點(diǎn)，h=a，p+n結(jié)的總結(jié)的總電勢(shì)稱為內(nèi)建夾斷電壓電勢(shì)稱為內(nèi)建夾斷電壓Vp0202dpsea NV1/22()sbiGSdVVhqN2012.5.18第二次習(xí)題2012.5.18第二次習(xí)題 13.7 13.7 分析一個(gè)分析一個(gè)P P溝道的溝道的GaAs JFETGaAs JFET，當(dāng)，當(dāng)T=300KT=300K時(shí)它有如下參數(shù)：時(shí)它有如下參數(shù)

6、：N Nd d=5=510101818cmcm-3-3 ， N Na a=3=310101616cmcm-3-3 （ N Na a=8=810101616cmcm-3-3 ， N Nd d=3=310101818cmcm-3-3 ），），a=0.3ma=0.3m。(a)(a)計(jì)算內(nèi)建夾斷電壓和夾斷電壓；計(jì)算內(nèi)建夾斷電壓和夾斷電壓；(b)(b)計(jì)算計(jì)算V VDSDS=0V,V=0V,VGSGS等于以下值時(shí)的未耗盡溝等于以下值時(shí)的未耗盡溝道厚度道厚度:(1)V:(1)VGSGS=0(2)V=0(2)VGSGS=1V=1V2012.5.18第二次習(xí)題經(jīng)過上面兩題的計(jì)算我們知道如下公式：經(jīng)過上面兩題的

7、計(jì)算我們知道如下公式：202dpsea NV0pbipVVV1/22()sbiDSGSdVVVhqNN溝溝JFETP溝溝JFET0ppbiVVV202apsea NV1/22()sbiDSGSaVVVhqN靠近漏端耗靠近漏端耗盡層寬度盡層寬度夾斷電壓夾斷電壓（閾電壓）（閾電壓）內(nèi)建夾內(nèi)建夾斷電壓斷電壓2012.5.18第二次習(xí)題11.7GaAs的介電常數(shù)是13.1Si的介電常數(shù)是11.71 1、畫出、畫出N N溝增強(qiáng)、耗盡，溝增強(qiáng)、耗盡，P P溝增強(qiáng)、耗盡溝增強(qiáng)、耗盡MOSFETMOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線（模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)P49）2 2、在下列三種情況中，器件

8、尺寸縮小后的物、在下列三種情況中，器件尺寸縮小后的物理規(guī)律是否相同，為什么？理規(guī)律是否相同，為什么？、縮小前為長(zhǎng)溝、縮小前為長(zhǎng)溝MOSMOS器件，縮小后仍為長(zhǎng)溝器件，縮小后仍為長(zhǎng)溝MOSMOS器件；器件；、縮小前為長(zhǎng)溝、縮小前為長(zhǎng)溝MOSMOS器件，縮小后為短溝器件，縮小后為短溝MOSMOS器件；器件；、縮小前為短溝、縮小前為短溝MOSMOS器件，縮小后為短溝器件，縮小后為短溝MOSMOS器件；器件；答案：、相同，因?yàn)樗械奈锢硪?guī)律都是基于溝道中的電場(chǎng)分布和電荷分布得到的，長(zhǎng)溝器件縮小尺寸后仍為長(zhǎng)溝器件，對(duì)長(zhǎng)溝器件而言，尺寸變化并不影響溝道內(nèi)電場(chǎng)、電荷分布，漸變溝道近似、薄層電荷近似仍然適用，

9、可采用漏電流模型，尺寸變化只會(huì)使相關(guān)物理參數(shù)按比例變化。、不同，因?yàn)殚L(zhǎng)溝器件縮小為短溝器件后，溝道內(nèi)的電場(chǎng)分布和電荷分布與長(zhǎng)溝時(shí)有很大差異，會(huì)出現(xiàn)短溝效應(yīng)，比如速度飽和、速度過沖等，這時(shí)源、漏電荷對(duì)于溝道內(nèi)電場(chǎng)有極大影響，漸變溝道近似不在適用，而應(yīng)采用電荷共享模型和速度飽和模型。一般而言，短溝器件電流比長(zhǎng)溝小一些，因此前后物理規(guī)律不相同。、不同，因?yàn)槎虦掀骷s小尺寸為短溝器件后，雖然前后物理規(guī)律相似，但也有較大差異。短溝器件（L0.5m）必須考慮短溝效應(yīng)，當(dāng)器件尺寸變得更小時(shí)，這種效應(yīng)越劇烈，甚至?xí)霈F(xiàn)如量子效應(yīng)等新效應(yīng)。由于速度過沖，對(duì)深亞微米器件分析時(shí)應(yīng)采用泊松方程、電流連續(xù)方程和瞬態(tài)波爾

10、茲曼方程解析，尺寸變化前后不成一定比列關(guān)系，物理規(guī)律有較大差異。 3、比較幾種功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)，（橫向雙擴(kuò)散MOSFET-LDMOS、垂直功率MOSFET-VMOS、垂直漏v-MOSFET-VVMOS、垂直雙擴(kuò)散MOSFET-VDMOS、絕緣柵晶體管-IGBT）、橫向雙擴(kuò)散MOSFETLDMOS 優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高，輸入電路小，驅(qū)動(dòng)功率??；它是多子器件，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性好；電流通道上無PN結(jié)，一般不出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)大。 缺點(diǎn)：管芯所占面積大，不適宜制作分立的電力集成器件。、垂直功率MOSFETVVMOS優(yōu)點(diǎn)：占面積小，克服了LDMOS利用率低的

11、缺點(diǎn)；電流垂直流向，減少了表面態(tài)帶來的影響；可以使用外延生長(zhǎng)。缺點(diǎn)：刻蝕易沾污；由于尖端電場(chǎng)大，容易擊穿；不利于集成；溝道電阻大，刻蝕工藝難度大，難以控制。、垂直漏U-MOSFETUVMOS優(yōu)點(diǎn)：克服了V-MOS的尖端易擊穿的缺點(diǎn)；電流在體內(nèi)流動(dòng)容易控制；電流容量大，可以使用外延生長(zhǎng)。缺點(diǎn)：占面積大，不利于集成；溝道電阻大。、垂直雙擴(kuò)散MOSFETVDMOS優(yōu)點(diǎn)：比LDMOS占面積小，頻率特性好；溝道長(zhǎng)度L與光刻精度無關(guān)，可使L減??；采用平面化結(jié)構(gòu)，耐壓水平、可靠性提高；電流在溝道內(nèi)表面流動(dòng)，減少了表面效應(yīng)；擊穿電壓較大；可采用外延生長(zhǎng)，減少刻蝕影響。缺點(diǎn)：溝道電阻大；不利于集成。、絕緣柵晶體

12、管IGBT優(yōu)點(diǎn)：把mos柵極控制和雙極型晶體管的大電流集合在一起，具有較小的控制功率；高的開關(guān)速度；大的電流處理能力和低的飽和壓降；通態(tài)壓降低，電流大，擊穿電壓高。缺點(diǎn)：IGBT內(nèi)部寄生了四層PNPN晶閘管，易使器件產(chǎn)生擎住效應(yīng)，減少柵的控制能力；由于N-漂移區(qū)存在非平衡載流子的注入，使得關(guān)斷時(shí)有一個(gè)較長(zhǎng)的拖尾電流，影響了器件的開關(guān)速度。1 1、考慮一個(gè)理想的、考慮一個(gè)理想的n n溝溝MOSFETMOSFET，參數(shù)為，參數(shù)為L(zhǎng)=1.25mL=1.25m，n n=650cm2/vs=650cm2/vs，Cox=6.9Cox=6.91010- -8 8F/cm2F/cm2，Vt=0.05vVt=0

13、.05v，設(shè)計(jì)一溝道寬度使之滿，設(shè)計(jì)一溝道寬度使之滿足足Vgs=5vVgs=5v時(shí)，時(shí)，IdId（satsat）=4mA=4mA。2 2、考慮一個(gè)考慮一個(gè)n n溝溝MOSFETMOSFET，W=15mW=15m，L=2mL=2m，Cox=6.9Cox=6.91010-8-8F/cm2F/cm2，假設(shè)非飽和區(qū)漏電流，假設(shè)非飽和區(qū)漏電流在在Vds=0.10vVds=0.10v固定不變時(shí)，固定不變時(shí)，Vgs=1.5vVgs=1.5v時(shí)，時(shí)，Id=35AId=35A；Vgs=2.5vVgs=2.5v時(shí)，時(shí)，Id=75AId=75A（1 1）確）確定反型層載流子的遷移率（定反型層載流子的遷移率（2 2）

14、求閾值電壓）求閾值電壓3 3、考慮、考慮T=300KT=300K時(shí)的一個(gè)時(shí)的一個(gè)n n溝溝MOSFETMOSFET，設(shè)襯底摻，設(shè)襯底摻雜濃度為雜濃度為Na=3Na=310101616cmcm-3-3，二氧化層厚度為，二氧化層厚度為tox=50nmtox=50nm，Vsb=1vVsb=1v，計(jì)算由于襯底偏置引起，計(jì)算由于襯底偏置引起的閾值電壓改變量。的閾值電壓改變量。4 4、假設(shè)、假設(shè)n n溝溝MOSFETMOSFET器件的電子遷移率器件的電子遷移率n=400cm2/vsn=400cm2/vs，溝道長(zhǎng)度，溝道長(zhǎng)度L=4mL=4m，設(shè)，設(shè)Vt=1vVt=1v，Vgs=3vVgs=3v，計(jì)算遷移率為

15、常數(shù)時(shí)理想的，計(jì)算遷移率為常數(shù)時(shí)理想的MOSFETMOSFET的截止頻率。的截止頻率。1 1、Two discrete MOSFET are interconnected in the Two discrete MOSFET are interconnected in the manner shown here to create an inverting manner shown here to create an inverting amplifier.The two devices are identical in every amplifier.The two devices are

16、identical in every respect in the lateral dimension W and L.respect in the lateral dimension W and L.a.Draw an out-plane diagram and apply the principles a.Draw an out-plane diagram and apply the principles of loadline-diagram construction to it so that the of loadline-diagram construction to it so

17、that the interaction of the device can be eraction of the device can be visualized.b.Demonstrate that the given circuit constitutes a b.Demonstrate that the given circuit constitutes a linear amplifier by deriving an equation for ites linear amplifier by deriving an equation for ites s

18、mall-signal voltage gain,Av=dVout/dVin.small-signal voltage gain,Av=dVout/dVin.c.Explain graphically the linearity of this amplifier c.Explain graphically the linearity of this amplifier circuit by means of the loading diagram constructed circuit by means of the loading diagram constructed above.above.2 2、A certain E-mode MOFET has a gate capacitance of A certain E-mode MOFET has a gate capacitance of 0.02pF, VT=1V, 0.02pF, VT=1V, n=700cm3/Vs, tox=0.05n=700cm3/Vs, tox=0.05 m, and m, and L=3L=3 m