《微电子器件原理》复习题资料.doc

考试时间： (第十周周二6-8节)考试地点：待定微电子器件原理复习题及部分答案一、 填空1、 PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。2、 当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压VT产生影响，具体地，对于短沟道器件对VT的影响为下降，对于窄沟道器件对VT的影响为上升。3、 在NPN型BJT中其集电极电流IC受VBE电压控制，其基极电流IB受VBE 电压控制。 4、 硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是寄生参数小，响应速度快等。5、 PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发生雪崩击穿的条件为VB6Eg/q。6、 当MOSFET进入饱和区之后，漏电流发生不饱和现象，其中主要的原因有沟道长度调制效应，漏沟静电反馈效应和空间电荷限制效应。二、 简述1、 Early电压VA；答案： 2、 截止频率fT；答案：截止频率即电流增益下降到1时所对应的频率值。3、 耗尽层宽度W。答案：P型材料和N型材料接触后形成PN结，由于存在浓度差，就会产生空间电荷区，而空间电荷区的宽度就称为耗尽层宽度W。4、雪崩击穿答案：反偏PN中，载流子从电场中获得能量；获得能量的载流子运动与晶格相碰，使满带电子激出到导带，通过碰撞电离由电离产生的载流子（电子空穴对)及原来的载流子又能通过再碰撞电离,造成载流子倍增效应，当倍增效应足够强的时候，将发生“雪崩”从而出现大电流，造成PN结击穿，此称为“雪崩击穿”。5、简述正偏PN结的电流中少子与多子的转换过程。答案：N型区中的电子,在外加电压的作用下,向边界Xn漂移,越过空间电荷区,在边界Xp形成非平衡少子分布,注入到P区的少子,然后向体内扩散形成电子扩散电流,在扩散过程中电子与对面漂移过来的空穴不断复合,结果电子扩散电流不断转为空穴漂移电流.空穴从P区向N区运动也类同.6、太阳电池和光电二极管的主要异同点有哪些？答案：相同点：都是应用光生伏打效应工作的器件。 不同点：a、太阳电池是把太阳能转换成光能的器件，光电二极管的主要作用是 探测光信号；b、太阳电池有漏电流大，结电容较大，线性区和动态范围较窄等。而光电二极管漏电流小，响应速度快，线性好和动态范围宽等优点。c、二种器件的光谱相应也不相同，太阳电池的光谱相应应与太阳的光谱功率分布相匹配，而光电二极管的光谱相应则应与被探测的辐射的光谱功率分布相匹配。7、简述肖特基二极管与PN结二极管有何不同？答案：1， SBD是多子工作的器件（应用于高度开关，影响高频特性）； PN结是少子工作的器件。2，两者势垒高度相同。在相同的电流条件下，SBD的电压低得多。3，SBD工作速度比PN结快，因为PN结有存储效应。4，二者温度效应不同， PN结正向温度比SBD高0.4mv/ 。8、简述J FET与双极型晶体管，二者有何不同？答案：双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 N沟道 P沟道 PNP 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源 电压控制电流源噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成三、 分析1、 对于PNP型BJT工作在正向有源区时载流子的输运情况；答案：对于PNP型晶体管,其发射区多数载流子空穴向集电区扩散,形成电流IEP，其中一部分空穴与基区的电子复合，形成基极电流的IB的主要部分，集电极接收大部分空穴形成电流ICP，它是IC的主要部分。2、 热平衡时突变PN结的能带图、电场分布，以及反向偏置后的能带图和相应的I-V特性曲线。答案：热平衡时突变PN结的能带图、电场分布如下所示，反向偏置后的能带图和相应的I-V特性曲线如下所示。3、画出MOS电容的C-V曲线,并说明半导体表面在积累态时耗尽态强反型态以及VG0时的C-V特性曲线答案：1）VG较大的负偏压时，分母第二项趋于零，故C/Co=1即C=Co,这时C-V不随电压变化AB段 2）当VG的绝对值较小时，上式分母中第二项较大，不能省略，这时C/Co随/VG/的减小而减小BC段 3）VG0，表面势0，表层电荷不存在，对能量的影响等于零，能量不向上，不向下，称为平带 4）VG在耗尽状态时CQ/Co随VG变化情况VG时，C/Co，耗尽状态时xd随VG增大而增大，xd越大，则Cs越小，C/Co随之越小，此时为CD段 5）当外加电压增大到使表面此时耗尽层得到最大值xdm，表面出现反型层第二项趋于零，这时C/Co1出现反型后，产生少子堆积，大量电子聚集半导体表面处，绝缘层两边堆积着电荷EF段当信号频率较高时，反型层中电子的产生将跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子的数量不能随高频信号而变，因此，高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献DG段4、画出NPN晶体管未加偏压及加偏压（VE=0.6V,VC=-10V时）的能带图，并简述设计双极型晶体管的内因要求与外电路要实现电流放大的工作条件。答案：晶体管的设计要求：发射结的掺杂浓度大于基区浓度，基区的厚度小于扩散长度，要有NPN三层结构。外电路要实现电流放大的工作条件是:发射结正偏,集电极反偏5、以N 沟MOS 为例 a、 画出结构示意图并说明MOSFET 的工作原理 b、 导出理想MOS 的沟道电导和阈值电压的表达式 答案：工作原理：当 VG = 0时，MOSFET 为两个背靠背的PN结，加上VDS不会有电流。当加上VG 0且VGVTH，则栅下方半导体表面会出现 N 型反型层，两个N+区被反型层（N）连通，此时加上VDS ,会有电流从DS, 或者说电子从源向漏漂移。B. 其中， X1为沟道宽度，n1(x)为反型层内电子分布令即反型层中单位面积的总电子电量则 由 强反型时，所以，即式中 6、根据题图所示的隧道二极管I-V曲线， 试画出图中“a、b、c、d、e”处的能带图，并作说明。 7、画出N沟临界增强型MOS管(ySi2Ff )的能带图。 （1）标出图中各处的Ei 及 Ef （2）从图证明ySi=2Ff 12 分解：（1）标出图中各处的Ei 及 Ef12 分（2）从图证明ySi=2Ff对半导体表面少子公式 当强反型时 s=si，强反型发生时 ns=Pp0， 即 (1)而对于P型硅体内空穴浓度 (2)比较（1）、（2）式子得出即ySi=2Ff8、画出正偏PN结的能带图以及PN电流的分布图象（包括少子与多子的电流）并说明PN结的电流中少子电流与多子电流是如何转换的？ 答：N型区中的电子,在外加电压的作用下,向边界Xn漂移,越过空间电荷区,经过边界Xp注入到P区,然后向内扩散形成电子扩散电流,但在扩散过程中电子与对面漂移过来的空穴不断复合,结果电子扩散电流不断转为空穴漂移电流. 四、 计算推导1、 MOSFET工作在非饱和区时的Sah方程推导，并求解跨导gm和沟道电导gD，说明提高gm的具体措施；（每步2分，电导计算4分，措施3分）答案：，提高gm的具体措施有：（1）增大载流子迁移率，选用体内迁移率高的材料；（2）减小栅氧化层厚度，制作高质量的尽可能薄的栅氧化层；（3）增大器件的宽长比；（4）减小器件的串联电阻。2、 在NPN双极型晶体管正向有源区工作时，试求该器件正向电流增益，并说明提高的几种途径。其中，。（计算推导9分，措施6分）答案：经推导计算可得，提高的措施有：（1）增大发射区/基区浓度比，即发射区采取重掺杂；（2）增大基区少数载流子的扩散系数，即选用NPN型器件；（3）增大发射区/基区厚度比，即减薄基区的厚度。3、肖克莱I-V方程的推导.(包括采用了哪些假设条件？) 答案：假设条件： 1小注入条件 2。少子分布满足波耳兹曼统计分布3。扩散近似 4。长二极管近似 5。耗尽层近似推导过程： p区边界少子浓度：4分 pp(-xp) 为多数载流子，即同理，n区边界少子浓度：4分小注入时，很小，忽略不计，在扩散区内Ex=0：方程通解为： 其中：边界条件： 得：同理可得注入P区的非平衡少子：在小注入时，扩散区不存在电场，在x=xn处，空穴扩散流密度为：4分同理，在x=-xp处的电子扩散流密度为：通过PN结的总电流密度为：即 肖克莱方程4、硅的突变结二极管N侧与P侧的掺杂浓度分别为Nd10 16cm-3和Na10