考試時間：（第十周周二6-節(jié)8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)外的一個擴(kuò)散長度范圍內(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器件尺寸縮小時會對其閾值電壓VT產(chǎn)生影響，具體地，對于短溝道器件對VT的影響為下降，對于窄溝道器件對VT的影響為上升。3、在NPN型BJT中其集電極電流1c受VBE電壓控制，其基極電流IB受VBE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V/6E應(yīng)。一Bg36、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度調(diào)制效應(yīng)，漏溝靜電反饋效應(yīng)和空間電荷限制效應(yīng)。二、簡述1、Early電壓V；A基區(qū)寬變效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響，在晶體管輸出特性曲線族上，表現(xiàn)為曲線隨外加電壓增加而傾斜上升.因?yàn)榧娊Y(jié)反向偏壓增加時，耗盡層擴(kuò)大;并有部分向基區(qū)一側(cè)獷手，使有效基區(qū)寬度減小,從而引起電流放大系數(shù)增大，特性曲線傾斜上升，如圖2^25（a）所示.若將特性曲線延長，聲延長線將交于橫坐標(biāo)軸上一點(diǎn)？器』，稱為厄爾利（E4虱y）電壓.忽略晶體管的飽和盅降時，圖2-25?變就圖3-256）.一「“；’答案：⑷11.(6)2、截止頻率fT;答案：截止頻率即電流增益下降到1時所對應(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：反偏中，載流子從電場中獲得能量；獲得能量的載流子運(yùn)動與晶格相碰，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）及原來的載流子又能通過再碰撞電離,造成載流子倍增效應(yīng)，當(dāng)倍增效應(yīng)足夠強(qiáng)的時候，將發(fā)生“雪崩”——從而出現(xiàn)大電流，造成結(jié)擊穿，此稱為“雪崩擊穿”。、簡述正偏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,向邊界Xn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)散過程中電子與對面漂移過來的空穴不斷復(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)動也類同.6、太陽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、太陽電池是把太陽能轉(zhuǎn)換成光能的器件，光電二極管的主要作用是探測光信號；b、太陽電池有漏電流大，結(jié)電容較大，線性區(qū)和動態(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，太陽電池的光譜相應(yīng)應(yīng)與太陽的光譜功率分布相匹配，而光電二極管的光譜相應(yīng)則應(yīng)與被探測的輻射的光譜功率分布相匹配。7、簡述肖特基二極管與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)有存儲效應(yīng)。4，二者溫度效應(yīng)不同，PN結(jié)正向溫度比SBD高0.4mv/℃。二者有何不同？場效應(yīng)三極管N溝道P溝道二者有何不同？場效應(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)模集成三、分析1、對于PNP型BJT工作在正向有源區(qū)時載流子的輸運(yùn)情況；答案：對于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1cp，它是1c的主要部分。2、熱平衡時突變PN結(jié)的能帶圖、電場分布，以及反向偏置后的能帶圖和相應(yīng)的I-V特性曲線。答案：熱平衡時突變PN結(jié)的能帶圖、電場分布如下所示，加反電壓勢叁變寬，《《Y3浜用一三舊Y…R=？［二工04000*8ro1.4反2L正向電壓GO，二3、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'耗盡態(tài)'強(qiáng)反型態(tài)恒TOC\o"1-5"\h\z以及VG=0時的C-V特性曲線圜答案：1）VG較大的負(fù)偏壓時，分母第二項(xiàng)趨于零，故C/Co=1即C=C,這時C-V不隨電壓變化一AB段°2）當(dāng)V的絕對值較小時，上式分母中第二項(xiàng)較大，不能省略，這時C/C隨/VG/的減小而減小一BC段°VG=0,表面勢=0,表層電荷不存在，對能量的影響等于零，能量不向上，不向下，稱為平帶VGt在耗盡狀態(tài)時CQ/Co隨VG變化情況VGt時，C/CI,耗盡狀態(tài)時xd隨VG增大而增大，xd越大，則C越小，C/C隨之越小，此時為CD段S°5）當(dāng)外加電壓增大到使表面①>2G此時耗盡層得到最大值xd,表面出現(xiàn)反型sifm層第二項(xiàng)趨于零，這時C/C=1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)信號頻率較高時,反型層中電子的產(chǎn)生將跟不上高頻信號的變化,即反型層中的電子的數(shù)量不能隨高頻信號而變,因此,高頻信號時,反型層中的電子對電容沒有貢獻(xiàn)一DG段4、畫出晶體管未加偏壓及加偏壓（時）的能帶圖，并EC簡述設(shè)計雙極型晶體管的內(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)散長度，要有NPN三層結(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)NG=0時，MOSFET為兩個背靠背的PN結(jié)，加上VDS不會有電流。當(dāng)加上VG>0且VG>VTH，則柵下方半導(dǎo)體表面會出現(xiàn)N型反型層，兩個N+區(qū)被反型層(N)連通，此時加上VDS會有電流從D-S,或者說電子從源向漏漂移。B.g=—iXiq口n(x)dx1L0n1其中，X1為溝道寬度，n1(x)為反型層內(nèi)電子分布令g=ZJ/qNn(x)d=~Q即反型層中單位面積的總電子電量1L0n11由V=v+▼=-0S+甲G0sC0強(qiáng)反型時，Q=Q+Q,W=WS1BSSi所以，V=-QS-QB+VGCCSi00即Q=-C\v-

1即Q=-C\v-

10GLVQB^++WCSi0=-C(V-V)0GTH式中V=_Q式中V=_QB+VTHCSi06、根據(jù)題圖所示的隧道二極管曲線，試畫出圖中“a、、能帶圖，并作說明。、”處的7、畫出N溝臨界增強(qiáng)型MOS管（wSi22中f）的能帶圖。（1）標(biāo)出圖中各處的E,及Ef（2）從圖證明wSi=2①f〔12分〕解：（1）標(biāo)出圖中各處的E.及Ef〔12分〕（2）從圖證明wSi=2①f對半導(dǎo)體表面少子公式n=ne%sKT=之。吟ktspoPpo當(dāng)強(qiáng)反型時甲s=Vsi，n=neq*siKTspo強(qiáng)反型發(fā)生時n=P?P2=n2eq*siKT即P=neq%2kt⑴sp0poipoi而對于P型硅體內(nèi)空穴濃度P=neE~EfKT=neq°fkt（2）poii比較（1）、（2）式子得出竺=q°2f艮咻=2Q8、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?答：N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)散過程中電子與對面漂移過來的空穴不斷復(fù)合,結(jié)果電子擴(kuò)散電流不斷轉(zhuǎn)為空穴漂移電流.四、計算推導(dǎo)1、MOSFET工作在非飽和區(qū)時的Sah方程推導(dǎo)，并求解跨導(dǎo)gm和溝道電導(dǎo)

gD，說明提高gm的具體措施(每步2分，電導(dǎo)計算4分，措施3分)①引用歐姆定律，列溝道電流密度方程。若用Jc代表溝道電流密度，則dV(v),、Jc(x,y)=-,y)—而一(4.49)其中心了)為以源端作參考點(diǎn)的溝道電勢口由于假定緩變溝道近似成立.所以歐姆定律采取一維形式，而且溝道電勢只是y的函數(shù)，與#無關(guān)e將兒(*,y)在加、z兩個方向上積分即可得出溝道電流.即/c=—跳n&f'?(jc*y)dxdz(4-50)ayJoJq式中勺為本征硅平面坐標(biāo)，露所在y-z平面上截流子密度等于叫，由此可知(%y)d4代表單位面積下溝道中反型載流子總量,因此Qn(y)=-gj'凡(#,y)d#(4-51)將此式代入(4-50)式并完成對工積分，溝道電流表示為答案:,.、dV(y)答案:,.、dV(y)c=&WQnG)一^—(4-52)既已假定場感應(yīng)結(jié)的漏電流可以忽略,二氧化硅層又被看作是不導(dǎo)電的，沿y方向流動的溝道電流將保持等于常數(shù)不變。③求(>n(y)o現(xiàn)在的情況是I0n6)l相對于IQoxl、IQbmI已不可忽略，重新引用基本關(guān)系寫出喂=%-Q%?⑺+Qn式“(4-57)燃后將(4-53)式代入上式,整理出Qn(y)=-C0x[Vgs-Vfb+一My)](4-58)方括號中第2、3、4項(xiàng)之和恰好等于-所以0n(y)=-C°x1^gs-VT-V(y)](4.59)④求Fm將表示式(4-59)代入(4-52)式，分離變量并積分，等式左端對y從Q積分到J右端對V從。積分到同時考慮到-R，最終得出Id="為(%-%/Vis](4的)關(guān)②給出強(qiáng)反型表面勢的表達(dá)式.MOST在非飽和區(qū)工作時，柵下半導(dǎo)體表面都已處于強(qiáng)反型狀態(tài),但是不同位置上的表面勢卻不一樣。考慮產(chǎn)品六。的一般情形，設(shè)想沿y方向以垂直于y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)電勢是變化的，各個MG5子系統(tǒng)的場感應(yīng)結(jié)將承受不同的外加電壓。位于y平面的MOS子系統(tǒng)場感應(yīng)結(jié)承受的電壓等于[-V(y)+y映],因而它的強(qiáng)反型表面勢1/ft，17/\/A\這個式子適用于nMOST,若為pMOST,則匕皿=2帆口-%+V(y)S-54)由(4-53)式可得出nMOST的表面耗盡區(qū)最大電荷面密度Qbm=-f2^es7VA[20Kp-了的+V(y)][1/2(4-55)此式表明Obm是y的函數(shù)°推導(dǎo)方程的基本假定里所說忽略表面耗盡區(qū)電荷面密度沿溝道電流流動方向的變化，實(shí)際是認(rèn)為Qbm在整個溝道區(qū)內(nèi)近似等于常數(shù),等于源端耗盡區(qū)最大電荷面密度，即=』2機(jī)節(jié)一/$+V(0)]!1/2=■12年卅大2巾無-%)產(chǎn)(4-56)aic旦w”g=D—=—ox-n——V,mavIV^s=constLDSGSaicuw…、rg=D=oxn—[（V—V）—V]DaVVgs=constLGSTDSDS提高gm的具體措施有：（1）增大載流子遷移率，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）增大器件的寬長比；（4）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，I=Iexp（qVE），CSPkTI=5[exp（qVBE）-1]，試求該器件正向電流增益p，并說明提高P的BpkTFFF幾種途徑。n2DqVn2DqV其中，I=qA1B~exp（__be），I=qA—ie[exp（~~be）—1]。（計CENwkTBENwkT

BBEE算推導(dǎo)9分，措施6分）答案：經(jīng)推導(dǎo)計算可得，P=L-NELL，提高P的措施有：（1）增FINDwFBBEB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)載流子的擴(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I-V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2。少子分布滿足波耳茲曼統(tǒng)計分布3。擴(kuò)散近似4。長二極管近似5。耗盡層近似推導(dǎo)過程：

p區(qū)邊界少子濃度：n(-x)=nexpjpni)〔4分〕ppikT0TOC\o"1-5"\h\zE—EE—EqVp(—x)=nexp(—iFp)n(—x)p(—x)=n2exp-(FnFp-)=n2exp-(—)ppikTppppikTikT000p(-x)為多數(shù)載流子，即p(—x)=ppn=n2ppppp0p0p0iqVqV—qVn(—x)=nexp()=nexp(d)ppp0kTn0kTr(r((qV)—i0An(—x)=n(—x)—n=nppppp0p0同理，n區(qū)邊界少子濃度：p(x)=pexp(——)=pexp("d)nnn0kTp0kT00WnWA43)-40=4。閃(qVI0d2ApdApdEApD——乙—旦E一二一旦p一x——=0〔4分〕pdx2pxdxpndxtp小注入時，dE/dx很小，忽略不計，在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)E=0：Dd2Apn-Apn=0xxpdx2tp方程通解為：,、，、,x、_,x、47_Ap(x)=p(x)—p=Aexp(———)+Bexp(—)其中：L=Dtnnn0LLp飛pppp

qV邊界條件：x=xp(x)=pexp()x=8p(s)=p得：nnnn0kTnn0p(x)—p=pexp(qV)—1exp(xn--x)同理可得注入P區(qū)的非平衡少子:卜n卜n0卜n0TT'乙0pn(n(x)—n=npp0p0qVexp(TTIexp('在小注入時，擴(kuò)散區(qū)不存在電場，在=乂處，n空穴擴(kuò)散流密度為：J(x在小注入時，擴(kuò)散區(qū)不存在電場，在=乂處，n空穴擴(kuò)散流密度為：J(x)=—qDpndp(x)

n

dxqDp=pn0x=xnLpqV.1exp(kT)T

0〔4分〕同理，在x=-xp處的電子擴(kuò)散流密度為:J(—x)=qDnpJ(—x)=qDnpndn(x)——pdxx=-xpqDnnp