微電子器件原理復(fù)習(xí)題

1、考試時(shí)間：（第十周周二6-8節(jié)）考試地點(diǎn)：待定微電子器件原理復(fù)習(xí)題及部分答案一、填空1、PN結(jié)電容可分為擴(kuò)散電容和過渡區(qū)電容兩種,它們之間的主要區(qū)別在于擴(kuò)散電容產(chǎn)生于過渡區(qū)外的一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其機(jī)理為少子的充放電，而過渡區(qū)電容產(chǎn)生于空間電荷區(qū)，其機(jī)理為多子的注入和耗盡。2、當(dāng)MOSFET器件尺寸縮小時(shí)會(huì)對(duì)其閾值電壓Vt產(chǎn)生影響，具體地，對(duì)于短溝道器件對(duì)Vt的影響為工金，對(duì)于窄溝道器件對(duì)Vt的影響為上北。3、在NPN型BJT中其集電極電流Ic受丫至電壓控制，其基極電流Ib受丫至電壓控制。4、硅絕緣體SOI器件可用標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝制備，該類器件顯著的優(yōu)點(diǎn)是寄生參數(shù)小，響應(yīng)速度快等。5、PN結(jié)擊

2、穿的機(jī)制主要有雪崩擊穿、齊納擊穿、熱擊穿等等幾種,其中發(fā)生雪崩擊穿的條件為VB>6Eg/q.6、當(dāng)MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)之后，漏電流發(fā)生不飽和現(xiàn)象，其中主要的原因有溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),漏溝一電反饋效應(yīng)和空間電荷限制效應(yīng)。二、簡(jiǎn)述1、Early電壓Va；答案：基區(qū)寬變效比對(duì)鄒城美系數(shù)的觸，在晶體竹性螭族上，,袤現(xiàn)為曲線睇加11壓增加而傾斜上升.因?yàn)轸娊Y(jié)反向偏壓增加時(shí)，耗盡層擴(kuò)大;并有部分向基區(qū).他療展,使有效基區(qū)寬度減小，從而引起電猊放大系數(shù)增尢特性的線假科上升項(xiàng)圖”對(duì)所示,若將將性曲錢延長(zhǎng)，其延長(zhǎng)線將交于橫坐標(biāo)坳上一點(diǎn)1稱為厄爾利（E祖y）電氏忽珞晶體懿飽和照時(shí)陷2-250變成圖2加以.

3、!.,n.,2、裁止頻率打；答案：極止頻率即電流增益下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值。3、耗盡層寬度W。答案：P型材料和N型材料接觸后形成PN結(jié)，由于存在濃度差，就會(huì)產(chǎn)生空間電荷區(qū)，而空間電荷區(qū)的寬度就稱為耗盡層寬度W.4、雪崩擊穿答案：反偏PN中，載流子從電場(chǎng)中獲得能量：獲得能量的載流子運(yùn)動(dòng)與晶格相碰，使?jié)M帶電子激出到導(dǎo)帶，通過碰撞電離由電離產(chǎn)生的載流子（電子空穴對(duì)）及原來(lái)的載流子乂能通過再碰撞電離,造成載流子倍增效應(yīng)，當(dāng)倍增效應(yīng)足夠強(qiáng)的時(shí)候，將發(fā)生“雪崩”從而出現(xiàn)大電流，造成PN結(jié)擊穿，此稱為“雪崩擊穿”。5、簡(jiǎn)述正偏PN結(jié)的電流中少子與多子的轉(zhuǎn)換過程。答案：N型區(qū)中的電子，在外加電壓的作用下,向

4、邊界XI1漂移,越過空間電荷區(qū),在邊界Xp形成非平衡少子分布，注入到P區(qū)的少子,然后向體內(nèi)擴(kuò)散形成電子擴(kuò)散電流，在擴(kuò)散過程中電子與對(duì)面漂移過來(lái)的空穴不斷復(fù)合，結(jié)果電子擴(kuò)散電流不斷轉(zhuǎn)為空穴漂移電流.空穴從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)也類同.6、太陽(yáng)電池和光電二極管的主要異同點(diǎn)有哪些？答案：相同點(diǎn)：都是應(yīng)用光生伏打效應(yīng)工作的器件。不同點(diǎn)：a、太陽(yáng)電池是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成光能的器件，光電二極管的主要作用是探測(cè)光信號(hào)；b、太陽(yáng)電池有漏電流大，結(jié)電容較大，線性區(qū)和動(dòng)態(tài)范圍較窄等。而光電二極管漏電流小，響應(yīng)速度快，線性好和動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。c、二種器件的光譜相應(yīng)也不相同，太陽(yáng)電池的光譜相應(yīng)應(yīng)與太陽(yáng)的光譜功率分布相匹配，而光

5、電二極管的光譜相應(yīng)則應(yīng)與被探測(cè)的輻射的光譜功率分布相匹配。7、簡(jiǎn)述肖特基二極管與PN結(jié)二極管有何不同？答案：1,SBD是多子工作的器件（應(yīng)用于高度開關(guān)，影響高頻特性）；PN結(jié)是少子工作的器件。2,兩者勢(shì)壘高度相同。在相同的電流條件下，SBD的電壓低得多。3,SBD工作速度比PN結(jié)快，因?yàn)镻N結(jié)有存儲(chǔ)效應(yīng)。4,二者溫度效應(yīng)不同，PN結(jié)正向溫度比SBD高0.4111W°C。8、簡(jiǎn)述JFET與雙極型晶體管,答案：雙極型三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP載流子多子擴(kuò)散少子漂移輸入量電流輸入控制電流控制電流源噪聲較大溫度特性受溫度影響較大輸入電阻幾十到幾千歐姆靜電影響不受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成二

6、者有何不同？場(chǎng)效應(yīng)三極管N溝道P溝道多子漂移電壓輸入電壓控制電流源較小較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)幾兆歐姆以上易受靜電影響適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成三、分析1、對(duì)于PNP型BJT工作在正向有源區(qū)時(shí)我流子的輸運(yùn)情況；答案：對(duì)于PNP型晶體管，其發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子空穴向集電區(qū)擴(kuò)散，形成電流Iep，其中一部分空穴與基區(qū)的電子復(fù)合，形成基極電流的Ib的主要部分，集電極接收大部分空穴形成電流Icp，它是Ic的主要部分。2、熱平衡時(shí)突變PN結(jié)的能帶圖、電場(chǎng)分布，以及反向偏置后的能帶圖和相應(yīng)的IV特性曲線。答案：熱平衡時(shí)突變PN結(jié)的能帶圖、電場(chǎng)分布如下所示，反向偏置后的能帶圖和相應(yīng)的I-V特性曲線如下所示。100底向

7、“W、)OUOaft1.01.4正血電爪（V）3、畫出MOS電容的C-V曲線，并說明半導(dǎo)體表面在積累態(tài)時(shí)'耗盡態(tài)'強(qiáng)反型態(tài)以及Vg=0時(shí)的C-V特性曲線答案：1)Vg較大的負(fù)偏壓時(shí)，分母第二項(xiàng)趨于零，故C/C0=l即C=C。,這時(shí)C-V不隨電壓變化一AB段2)當(dāng)Vg的絕對(duì)值較小時(shí)，上式分母中第二項(xiàng)較大，不能省略，這時(shí)C/C。隨/VG/的減小而減小一BC段3) VG=0,表面勢(shì)=0,表層電荷不存在，對(duì)能量的影響等于零，能量不向上，不向下，稱為平帶4) VGt在耗盡狀態(tài)時(shí)Cq/C0隨Vg變化情況VgT時(shí)，C/CoI,耗盡狀態(tài)時(shí)Xd隨Vg增大而增大，Xd越大，則Cs越小，C/Co隨之

8、越小，此時(shí)為CD段5)當(dāng)外加電壓增大到使表面外2%此時(shí)耗盡層得到最大值x&n，表面出現(xiàn)反型層第二項(xiàng)趨于零，這時(shí)C/C0=l出現(xiàn)反型后，產(chǎn)生少子堆積，大量電子聚集半導(dǎo)體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷一EF段當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，反型層中電子的產(chǎn)生將跟不上高頻信號(hào)的變化，即反型層中的電子的數(shù)量不能隨高頻信號(hào)而變，因此，高頻信號(hào)時(shí)，反型層中的電子對(duì)電容沒有貢獻(xiàn)一DG段4、畫出NPN晶體管未加偏壓及加偏壓(“=0.6V,%二TOV時(shí))的能帶圖,并簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)雙極型晶體管的內(nèi)因要求與外電路要實(shí)現(xiàn)電流放大的工作條件。答案：晶體管的設(shè)計(jì)要求：發(fā)射結(jié)的摻雜濃度大于基區(qū)濃度，基區(qū)的厚度小于擴(kuò)散長(zhǎng)度,要有NPN三層

9、結(jié)構(gòu)。外電路要實(shí)現(xiàn)電流放大的工作條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電極反偏5、以N溝MOS為例a、畫出結(jié)構(gòu)示意圖并說明MOSFET的工作原理b、導(dǎo)出理想MOS的溝道電導(dǎo)和閾值電壓的表達(dá)式答案：工作原理：當(dāng)Vg=0時(shí)，MOSFET為兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，加上Vds不會(huì)有電流。當(dāng)加上Vg>0且Vg>Vth，則柵卜.方半導(dǎo)體表面會(huì)出現(xiàn)N型反型層，兩個(gè)N+區(qū)被反型層(N)連通，此時(shí)加上Vds,會(huì)有電流從D-S,或者說電子從源向漏漂移。BL用n其中，X】為溝道寬度，n】(x)為反型層內(nèi)電子分布令=娛為(x)dx=Q即反型層中單位面枳的總電子電量L*n則g】=_：/QiL由=%+化=一字+6co強(qiáng)反型時(shí)，Q

10、=Q+Qb,V<s=%所以,Vg=瞪令+%coco即Q=一C。Vg（,+%=一5七一5）式中=-會(huì)+%、e”處的6、根據(jù)題圖所示的隧道二極管I-V曲線，試畫出圖中“a、b、c、d能帶圖，并作說明。7、畫出N溝臨界增強(qiáng)型MOS管（529f）的能帶圖。（1）標(biāo)出圖中各處的耳及Ef（2）從圖證明*1=2。（12分）解：（1）標(biāo)出圖中各處的E及Ef（12分）(2)從圖證明咕尸26對(duì)半導(dǎo)體表面少子公式n,=ne。燈=eQ/KTp°prpo當(dāng)強(qiáng)反型時(shí)ips=ipsi,n3=npoeq右強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)n$=Ppo，pj=n/e”4HP=ie為燈EE,/q八/(2)而對(duì)于P型硅體內(nèi)空穴濃度=ie

11、=ieCT比較(1)>(2)式子得出箋=q%即用=2R8、畫出正偏PN結(jié)的能帶圖以及PN電流的分布圖象(包括少子與多子的電流)并說明PN結(jié)的電流中少子電流與多子電流是如何轉(zhuǎn)換的？I'11LnIIp0nN型區(qū)中的電子，在外加電壓的作用下,向邊界Xn漂移，越過空間電荷區(qū)，經(jīng)過邊界Xp注入到P區(qū)，然后向內(nèi)擴(kuò)散形成電子擴(kuò)散電流，但在擴(kuò)散過程中電子與對(duì)面漂移過來(lái)的空穴不斷復(fù)合，結(jié)果電子擴(kuò)散電流不斷轉(zhuǎn)為空穴漂移電流.四、計(jì)算推導(dǎo)1、MOSFET工作在非飽和區(qū)時(shí)的Sah方程推導(dǎo)，并求解跨導(dǎo)為和溝道電導(dǎo)gD，說明提高gm的具體措施；(每步2分，電導(dǎo)計(jì)算4分，措施3分)答案：引用歐姆定律.列溝道電

12、流密度方程G若用Jc代農(nóng)溝道電流鉗度.剜<1V(r)/。(”丁)-一/右4*，)j(4-49)北中心八為以源瑞作叁考點(diǎn)的溝通電勢(shì)°由于定緩變溝道近似成立所以歐姆定律采取一堆形式,麗H溝道電勢(shì)只是y的函數(shù)，與欠無(wú)關(guān)。將G(*，y)在上門兩個(gè)方向上積分即可尚出溝道電流.即/r-3.d，J。J；n(%y)dxdz(4-50式中怎,為本征硅平面坐標(biāo).小所在A-7平面上栽流子密度等于叫由此可知J(xty)dx代表單位因枳下溝道中反型載就于總M因此。<y)=-01；0客¥)<!再(451)櫛此式代入(4.50)式并完成對(duì)；積分,溝道電浦：表示為吟dV(y)(4-52)

13、既巳敘定場(chǎng)恿應(yīng)結(jié)的話電流可以忽略.二敘化硅層又被肴作是不導(dǎo)電的沿y方向流動(dòng)的溝道屯流將保持等于常數(shù)不變.求Q.(,?，F(xiàn)在的情況是IQKQI相對(duì)于IQsdJQbvI匕不可忽略，重新引m基本關(guān)系寫出VB-1'fb-0二】Q-y.“(y)(4-57)然后判(453)式代入上式，整理出Q.(y)=CoxVcsVfb1*1:1-20fp-V(y)|(4-58)方括號(hào)中第2、3、4項(xiàng)之和恰好等于-Vt.所以。<y)=-Coxl-八-心力(459)求Zv>o將。式“求示式(4-59)代人(452)式,分離變量井積分，等式左玷對(duì)y從°枳分到，右端對(duì)V從。積分到Vpso同時(shí)考慮到如

14、上一%，量終得出Zo=？“(%_VV-Vis(4-60)這廿思若夕箭快之唐方理.誦*林方括號(hào)前面的京數(shù)命名為增源因子.并用8表示：給出演反事表面勢(shì)的表達(dá)式令MOST在井恒和區(qū)工作時(shí),慟下半導(dǎo)體表曲都巳處于強(qiáng)反型狀態(tài),但是不冏位置上的表前勢(shì)卻不一樣?？紤]的一般情形，出想沿/方向以垂直于，軸的平面將MOST劃分為若干MOS子系統(tǒng)。由于溝道內(nèi)各點(diǎn)電勢(shì)是變化的，各個(gè)MOS子系燒的場(chǎng)娛應(yīng)玷褥承受不同的外加電壓,，位于>平畫的MOS子系統(tǒng)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)承受的電壓等于-F(y>因而它的弼反型衣面珞=2"e-"電*<y><4-53)這個(gè)式:子適用于nMOST,若為p

15、MOST則匕心2%。-V*V(r)<4-54)由(453)式可得出nMOST的表面幃盡區(qū)ift大電荷面密度Qbx-12妙.Nj2”.p-11+八八，(455)此式;表明Q.m是，的函數(shù)。推宗方程的圣本假定里所說忽略表面抵盡區(qū)電荷面密度沿溝道電通通動(dòng)方向的變化.實(shí)際是認(rèn)為Qm在整個(gè)溝述區(qū)內(nèi)近似等于常數(shù)等于源達(dá)梅盡區(qū)或大電荷而密度.即QhMV12如/VJ2f»BS+=-2,.八*23"-展)”456C4W%，C/W=-提高gm的具體措施有：(1)增大栽流子遷移率，選用體內(nèi)遷移率高的材料;(2)減小柵氧化層厚度，制作高質(zhì)量的盡可能薄的柵氧化層；(3)增大器件的寬長(zhǎng)比；(4)

16、減小器件的串聯(lián)電阻。2、在NPN雙極型晶體管正向有源區(qū)工作時(shí)，1B-1,試求該器件正向電流增益Qf，并說明提高外的幾種途徑。其中=q4£翁exp簪），lB=q4名嘉exp魯）川（計(jì)算推導(dǎo)9分，措施6分）答案：經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算可得，/=乜、生絲絲，提高打的措施有：（1）增FIBNBDE大發(fā)射區(qū)/基區(qū)濃度比，即發(fā)射區(qū)采取重?fù)诫s；（2）增大基區(qū)少數(shù)栽流子的擴(kuò)散系數(shù)，即選用NPN型器件；（3）增大發(fā)射區(qū)/基區(qū)厚度比，即減薄基區(qū)的厚度。3、肖克萊IV方程的推導(dǎo).（包括采用了哪些假設(shè)條件？）答案假設(shè)條件：1.小注入條件2o少子分布滿足波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布3。擴(kuò)散近似4o長(zhǎng)二極管近似5。耗盡層近似推導(dǎo)過程：

17、P區(qū)邊界少子濃度:np(-xp)=ii1exp(E-E1)（4分）np(-xp)pp(-xp)=n12exE-ErPp(-xp)=Iexp(：P)KqPp(Xp)為多數(shù)載流子，即Pp(-Xp)=PpOppoUpo=11/%(-%)=np0exp靜=%expd：魯)Aiip(-xp)=np(-xp)-np0=同理，n區(qū)邊界少子濃度：=P而exp（）=pp0exp)APn()=Pn(Xn)-PnO=組=0以譽(yù)"民啜"p黛-斐=0（4分）小注入時(shí)，dR/dx很小，忽略不計(jì)，在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)耳=0：Dp方程通解為:Pn(x)=Pn(x)-pno=Aexp(-a+Bexp/)其中：Lp=p

18、邊界條件：x=&pn()=PexpC)X=SPgUp©得:同理可得注入P區(qū)的非平衡少子:Pn(X)-PnO=PnO在小注入時(shí)，擴(kuò)散區(qū)不存在電場(chǎng)，在X=Xn處，空穴擴(kuò)散流密度為:JpX)=-qDpexp等)-1(4分)同理，在乂=R處的電子擴(kuò)散流密度為:Jn(-Xp)=qD.通過PN結(jié)的總電流密度為:qDnnpoqDpPnor:Lp=J*一事)+北(4)=即肖克萊方程4、硅的突變結(jié)二極管N側(cè)與P側(cè)的摻雜濃度分別為Nd=1016cmJ和Na=10lscin3o計(jì)算在室溫下零偏壓時(shí)的自建電勢(shì)，耗盡層寬度和最大電場(chǎng)。解：從式子yz=%In凸紇=0.0261nltf8xltf62.25X1O20=0.697V(4分)1=3.178x10-5cm(3'2x13.1x8.85x10-八0.697下分）Ld