電子科技大學(xué)832微電子器件考研真題

考試科目：832微電子器件一、填空題（共45分，每空1.5分）1、依照輸運(yùn)方程，載流子（擴(kuò)散）電流主要與載流子濃度梯度相關(guān)，而（漂移）電流主要與載流子濃度相關(guān)。2、俄歇復(fù)合逆過(guò)程是（碰撞電離）。3、當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)候，反向電流由（少子）擴(kuò)散電流和勢(shì)壘區(qū)（產(chǎn)生）電流組成。4、在二極管反向恢復(fù)過(guò)程中，中性區(qū)存放非少子濃度降低有兩個(gè)原因，一是（載流子復(fù)合），二是（反向電流抽?。?、薄基區(qū)二極管是指P區(qū)和N區(qū)中最少有一個(gè)區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于該區(qū)（少子擴(kuò)散長(zhǎng)度）。在其它條件相同情況下，薄基區(qū)二極管中性區(qū)寬度越（?。?，擴(kuò)散電流越大。6、（熱擊穿）又稱為二次擊穿，這種擊穿通常是破壞性。7、雙極型晶體管基區(qū)少子渡越時(shí)間是指少子在基區(qū)內(nèi)從發(fā)射結(jié)渡越到集電結(jié)平均時(shí)間，等于（基區(qū)非平衡少子電荷）除以基區(qū)少子電流。8、半導(dǎo)體薄層材料方塊電阻與材料面積無(wú)關(guān)，而與（摻雜濃度）和（厚度）相關(guān)。（備注：填電阻率和厚度也能夠）。9、雙極型晶體管電流放大系數(shù)具備（正）溫度系數(shù)，雙極型晶體管反向截止電流具備（正）溫度系數(shù)。（填”正”，”負(fù)”或”零”）10、雙極型晶體管用于數(shù)字電路時(shí)，其工作點(diǎn)設(shè)置在（截至）區(qū)和（飽和）區(qū)；MOSFET用于模擬電路時(shí)，其直流工作點(diǎn)設(shè)置在（飽和）區(qū)。11、因?yàn)槎虦系榔骷系篱L(zhǎng)度非常短，起源于漏區(qū)電力線將有一部分貫通溝道區(qū)終止于源區(qū)，造成源漏之間（勢(shì)壘高度）降低，從而造成漏極電流（變大）。（第二個(gè)空填”變大”，”變小”或”不變”）12、高頻小信號(hào)電壓是指信號(hào)電壓是指信號(hào)電壓振幅小于（KT/q）；高頻小信號(hào)通常是疊加在（直流偏置）上。13、MOSFET漏源擊穿機(jī)理有兩種，一個(gè)是（漏極PN結(jié)擊穿），一個(gè)是（溝道穿通）。14、漏源交流短路情況下，MOSFET（溝道載流子）電荷隨（柵極）電壓改變，定義為MOSFET本征柵極電容。15、長(zhǎng)溝道MOSFET跨導(dǎo)與溝道長(zhǎng)度（成反比），與柵源電壓（成正比），而發(fā)生速度飽和短溝道MOSFET跨導(dǎo)與溝道長(zhǎng)度（無(wú)關(guān)）。（填”成正比”，”成反比”、”成平方關(guān)系”或”無(wú)關(guān)”）。二、簡(jiǎn)答與作圖題（共50分）1、簡(jiǎn)明敘述PN結(jié)擴(kuò)散電容物理意義。（6分）PN結(jié)擴(kuò)散電容只存在于PN結(jié)正向?qū)ㄇ闆r。（2分）當(dāng)PN結(jié)兩端加正向偏置發(fā)生改變時(shí)，存放在中性區(qū)非平衡載流子濃度將發(fā)生改變，產(chǎn)生電容效益，這個(gè)電容稱為PN結(jié)擴(kuò)散電容。（4分）2、簡(jiǎn)明敘述韋伯斯脫（Webster）效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理以及表現(xiàn)物理現(xiàn)象。（6分）Webster效應(yīng)產(chǎn)生原因是：當(dāng)PN結(jié)發(fā)生大注入時(shí)，在中性區(qū)會(huì)因?yàn)榉瞧胶馍僮优c非平衡多子在空間上分離產(chǎn)生自建電場(chǎng)，這個(gè)自建電場(chǎng)對(duì)非平衡少子擴(kuò)散起到了加強(qiáng)作用。（4分）表現(xiàn)現(xiàn)象是中性區(qū)非平衡少子擴(kuò)散系數(shù)等效為翻倍了。（2分）3、雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中包含兩個(gè)背靠背PN結(jié)，那么，能否用兩個(gè)背靠背PN結(jié)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極型晶體管電學(xué)特征？為何？（6分）不能。（2分）因?yàn)殡p極型晶體管原理是利用正偏PN結(jié)提供載流子控制流過(guò)反偏PN結(jié)流過(guò)電流，所以雙極型晶體管能正常工作前提是兩個(gè)PN結(jié)之間存在耦合，即雙極型晶體管基區(qū)足夠窄，來(lái)自發(fā)射區(qū)大部分載流子都能經(jīng)過(guò)基區(qū)抵達(dá)集電結(jié)，。而兩個(gè)背靠背二極管是相互獨(dú)立，正偏二極管電流并不能影響反偏二極管工作狀態(tài)。（4分）4、對(duì)雙極型晶體管共發(fā)射極輸出特征曲線進(jìn)行測(cè)試時(shí)，取得了下列圖中兩組異常輸出特征曲線。請(qǐng)問(wèn)：這兩組曲線和正常共發(fā)射極輸出特征曲線相比，存在什么問(wèn)題？產(chǎn)生以上問(wèn)題原因是什么？（8分）（a）（b）答：（a）異常是小電流時(shí)曲線間距變小。（2分）原因是大電流時(shí)候因?yàn)榇笞⑷牒突鶇^(qū)寬度擴(kuò)展效應(yīng)，造成放大系數(shù)降低。（2分）（b）異常是線性區(qū)電流隨Vce增加而增加。（2分）原因是發(fā)生了early效應(yīng)。（2分）5、為了減小MOSFET柵源寄生電容、柵漏寄生電容，改進(jìn)MOSFET頻率特征，通常采取自對(duì)準(zhǔn)工藝來(lái)制備MOSFET。（7分）（1）請(qǐng)簡(jiǎn)述自對(duì)準(zhǔn)工藝流程；（2）采取自動(dòng)準(zhǔn)工藝對(duì)MOSFET柵極材料有何要求？為何？答：（1）流程：首先熱氧化柵氧化層，再在柵氧化層上淀積多晶硅，對(duì)多晶硅進(jìn)行光刻和刻蝕，做出柵電極，再以多晶硅作為掩模進(jìn)行離子注入，自對(duì)準(zhǔn)形成源漏區(qū)。這么源漏區(qū)與多晶硅柵交疊非常少，所以寄生電容小。（4分）（2）自對(duì)準(zhǔn)工藝要求MOSFET柵極材料為多晶硅，不能用Al，（1分）因?yàn)樵绰﹨^(qū)擴(kuò)散溫度很高，而Al熔點(diǎn)低，無(wú)法承受高溫，而多晶硅熔點(diǎn)高于擴(kuò)散溫度。（2分）6、一個(gè)N溝MOSFET，其漏源電壓VDS=0，襯底偏置VBS=0，柵源電壓VGS>0.請(qǐng)問(wèn)：（1）當(dāng)VGS大到使MOSFET處于強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體一側(cè)有哪兩種電荷？（2）假如VGS保持一個(gè)恒定值，問(wèn)題（1）中兩種電荷之和是否會(huì)發(fā)生改變？為何？（3）假如其它條件不變，襯底偏置從VBS=0變?yōu)閂BS<0，這兩種電荷分別會(huì)怎樣改變？（8分）答：（1）半導(dǎo)體一側(cè)有耗盡層電荷和反型層電荷，都帶負(fù)電。（2分）（2）兩種電荷之和不變，（1分）因?yàn)檠趸瘜与娙萆想妷簺](méi)有發(fā)生改變，存放電荷也不會(huì)發(fā)生改變。（2分）（3）襯底加了偏壓相當(dāng)于在耗盡層兩端加上了反向偏壓，會(huì)使耗盡層變寬，所以耗盡層電荷增加，因?yàn)榭傠姾刹蛔儯葱蛯与姾蓪⒔档?。?分）7、下列圖為一個(gè)MOSFET轉(zhuǎn)移特征曲線一部分，請(qǐng)問(wèn)：（9分）（1）該MOSFET工作在哪個(gè)區(qū)域？為何？（2）當(dāng)溫度升高時(shí)，圖中曲線斜率將變大還是變??？（3）假如要使圖中曲線斜率變大，該MOSFET柵氧化層厚度和襯底摻雜濃度應(yīng)怎樣改變？答：（1）處于亞閾區(qū)。（2分）因?yàn)樵趯?duì)數(shù)坐標(biāo)中，IDS與VGS關(guān)系為線性，說(shuō)明IDS隨VGS指數(shù)改變，所以是亞閾區(qū)（2分）（2）曲線斜率降低，（1分）溫度升高，亞閾區(qū)擺幅增加，柵壓對(duì)漏源電流控制能力減弱（2分）（3）要使斜率變大，應(yīng)該增強(qiáng)柵壓控制能力，所以柵氧化層厚度應(yīng)減小，（1分）襯底摻雜濃度應(yīng)提升。（1分）三、計(jì)算題（共55分）1、PN結(jié)二極管在下列圖所表示電路中作為開(kāi)關(guān)使用，忽略二極管寄生串聯(lián)電阻，二極管正向?qū)▔航禐?.7V，電子和空穴壽命均為1us，輸入信號(hào)為連續(xù)脈沖信號(hào)，信號(hào)波形如圖所表示，占空比為50%。（8分）（1）求正向脈沖期間流過(guò)二極管電流If。（2）假設(shè)負(fù)向脈沖期間回路中電流If大小為0.1A，求該電路能正常工作最大脈沖頻率。（1）If=（EI-Vf）/R=（5-0.7）/5=0.86A（3分）（2）反向恢復(fù)時(shí)間為：trr=τln（（If+Ir）/Ir）=2.26us（2分）電路能正常工作，則負(fù)向脈沖寬度大于2.26us（1分）占空比50%，所以脈沖周期大于5.52us（1分）頻率為I/5.56us=0.18MHz（1分）2、某硅突變結(jié)，P區(qū)摻雜濃度為NA=1*1016cm-3,N區(qū)摻雜濃度為ND=2*1018cm-3,已知室溫下硅本征載流子濃度為1.5*1010cm-3，當(dāng)外加正向偏壓為0.8V時(shí)，P區(qū)和N區(qū)耗盡區(qū)與中性區(qū)交界處少子濃度nP（-xP）和pn（xn）分別為多少？（10分）P區(qū)和N區(qū)大注入轉(zhuǎn)折電壓為：VKp=（2KT/q）*ln（20.5NA/ni）=0.715VVKN=（2KT/q）*ln（20.5ND/ni）=0.991V（2分）所以，P區(qū)為大注入，N區(qū)為小注入。（2分）np0=ni2/NA=2.25*104cm-3pn0=ni2/ND=1.125*102cm-3（2分）np（-xP）=niexp（qv/2KT）=7.2*1016cm-3pn（xn）=pn0exp（qv/KT）=2.59*1015cm-3（4分）3、某NPN雙極型晶體管以下列圖所表示，基區(qū)厚度為1um、摻雜濃度為2*1015cm-3，集電區(qū)N-區(qū)厚度為20um、摻雜濃度為1*1015cm-3，集電區(qū)N+接觸區(qū)摻雜濃度和厚度足夠大。硅雪崩擊穿臨界擊穿電場(chǎng)Ec為2*105V/cm，介電常數(shù)εSI=1.045*10-12F/cm。求：（1）該雙極型晶體管BVCBO；（2）當(dāng)基區(qū)厚度不變，集電區(qū)N-區(qū)厚度變?yōu)?0um時(shí)BVCBO；（3）當(dāng)集電區(qū)厚度不變，基區(qū)厚度變?yōu)?.5um時(shí)BVCBO（12分）（1）當(dāng)PN-結(jié)達(dá)成EC時(shí)耗盡區(qū)寬度為：XP=εSI*EC/qNA=0.65um（2分）Xn=εSI*EC/qND=13.6um（2分）因?yàn)榛鶇^(qū)寬度大于0.65um，集電區(qū)寬度大于13um，耗盡區(qū)能充分?jǐn)U展，所以：BVCBO=0.5*（Xn+XP）*EC=142.5V（2分）（2）集電區(qū)N-區(qū)厚度變?yōu)?0um，耗盡區(qū)不能充分?jǐn)U展，N-區(qū)電場(chǎng)變?yōu)樘菪畏植迹?分）142.5-0.5*（13.6-10）*EC=106.5V（2分）（3）基區(qū)寬度變?yōu)?.5um，則最大電場(chǎng)達(dá)成EC之前已經(jīng)發(fā)生基區(qū)穿通，穿通電壓為：（1分）142.5*（0.5/0.65）=109.6V（2分）忽略BVEBO，近似認(rèn)為此時(shí)BVCBO=VPt=109.6V4、某NPN雙極型晶體管，其基區(qū)厚度和摻雜濃度分別為1um和1*1016cm-3,電子和空穴壽命均為1us，電子和空穴擴(kuò)散系數(shù)分別為Dn=20cm2/s和DP=10cm2/s，集電區(qū)厚度和摻雜濃度分別為20um和1*1015cm-3。（1）計(jì)算正向管基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)；（2）計(jì)算倒向管發(fā)射結(jié)注入效率；（3）假如該晶體管基區(qū)雜質(zhì)總量維持不變，雜質(zhì)分布變?yōu)橹笖?shù)分布，越靠近發(fā)射區(qū)摻雜濃度越高，自建場(chǎng)因子為6，求此時(shí)正向管基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和倒向管發(fā)射結(jié)注入效率。（13分）（1）正向管基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)=1-WB2/2DBτB=0.99975（公式2分，結(jié)果1分）（2）倒向管以正向管集電區(qū)作為發(fā)射區(qū)γ=1-DEWBNB/DBWENE=0.75（公式2分，結(jié)果2分，要選擇正確參數(shù)進(jìn)行計(jì)算）（3）正向管基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)：β*=1-τb/τB=1-（WB2/2LB2）*（2/η）*（1-1/η）=0.9999（公式2分，結(jié)果1分）因?yàn)榈瓜蚬芑鶇^(qū)雜質(zhì)總量沒(méi)有發(fā)生改變，方塊電阻不變，所以倒向管發(fā)射結(jié)注入效率不變，依然為0.75.（3分）5、N溝MOSFET工作于非飽和區(qū)，其溝道寬度Z=10um，溝道長(zhǎng)度L=2um，單位面積柵氧化層電容COX=8*10-5F/cm2，在VDS=0.1V固定不變時(shí)有：當(dāng)VGS=1.5時(shí)IDS=30mA;當(dāng)VGS=2.5V時(shí)IDS=70mA，試求：（12分）（1）反型層中電子遷移率un和MOSFET閾值電壓VT；（2）當(dāng)VDS變?yōu)?V，VGS變?yōu)?V時(shí)，漏源電流IDS變?yōu)槎嗌?？此時(shí)器件跨導(dǎo)是多少？（1）工作在非飽和區(qū)，用非飽和區(qū)公式：ID=β[（VGS-VT）VDS-0.5VDS2]0.03=β[（1.5-VT）*0.1-0.5*0.12]0.07=β[（2.5-