固体电子器件原理期末考试题A卷及答案

1、 / 9 / 9得分评分人有关能量。（9分）一、能带图（27分）固体电子器件原理期末考试题A卷及答案画出硅pn结零偏、反偏和正偏条件下的能带图，标出 ME”严口 -讪匚|戸、-丿4悴 i画出n型衬底上理想的金属-半导体接触（理想金属-半导体接触的含义：金属-半导体界面无界面态，不考虑镜像电荷的作用）的能带图，（a） m s, （b） m s,m Xj 时，Qag Qd，否则,1 QaG 1|Qd |。从(4.144)式可以看出，对于n沟道(4.145)4.50得到(4.146)(4.147)MOSFET，沟道方向的尺寸效应使阈电压 V降低。(2)窄沟道效应A-n剖血图图4.51沟道宽度方向的窄

2、沟道效应，栅压控制的耗尽区电荷增加MCSFET*fzirux1-MOSFETJPIfti陶 A S 剖fil ial在沟道的宽度方向，由于耗尽区的扩展，栅压控制的衬底耗尽区电荷比栅下的矩形区域 的电荷多。如图4.51，将W方向的扩展以1/4园柱近似，则电荷密度的平均增加量为qNA2Xdmax2WL件 148)QdXd maxW 2（4.149）件144）式可以看出，窄沟式中Qd是不考虑尺寸效应时栅压所控制的耗尽区电荷密度。由 道效应使阈电压 VT增加。向MOSFET沟道区的耗尽层内注入施主或受主杂质，可以调整阈值电压， 简述其原理。（3分）要点：向MOSFET沟道区的耗尽层内注入施主或受主杂质

3、，改变了空间电荷 区的电荷密度。注入受主，使阈值电压中的Qd/Cox项增大，阈值电压向正方向移动，注入施主，使阈值电压中的 Qd/Cox项减小（负值增大），阈值电压向负方向移 动。简述热电子效应，它对MOSFET的阈值电压有何影响？（3分）1.热电子效应 如图4.59（a）所示，有以下几类热电子：卉硅衬底r图4.59（a）热电子类型：1沟道热电子，2漏区电离热电子，3衬底热电子7俘获热电乎 怖转移特性/俘获热电了:后转移待性图4.59(b)热电子效应对MOSFET转移特性和阈电压的影响4485 当沟道电场足够强时，反型层中的一些电子有可能获得足以克服Si-SiO2界面势垒的能量，注入到栅氧化层

4、中。沟道漏端的电场最强，注入主要发生在该区域。在漏区附近的耗尽区内，电场很强，由碰撞电离产生的电子空穴对中，具有克服Si-SiO2 界面势垒能量的电子也可能注入栅氧化层。衬底热激发产生的电子，在纵向电场的作用下，也有可能获得足够高的能量，克服 Si-SiO2势垒，注入栅氧化层。图4.59(b)给出热电子效应对阈电压和转移特性的影响。可以看出，热电子效应使 MOSFET的阈电压增大，跨导降低。在上述三种热电子过程中，注入到栅氧化层中的电子，或成为栅 流的一部分，或者陷在氧化层中的陷阱位置上。陷在氧化层中的陷阱位置上的热电子数在器 件工作过程中不断增加，对器件的长期稳定性极为不利。后果之一是限制了

5、可使用的最高漏 源电压。要克服热电子效应，可从两方面着手：一方面提高栅氧化层质量，减小氧化层中的 陷阱密度，使热电子成为栅流而不被氧化层所俘获；另一方面是削弱漏区的电场，把漏pn结做成缓变结，降低局部峰值电场强度等措施。提高MOSFET的漏极电流容量和跨导的措施有哪些？(4分)要点：提高沟道宽长比，提高沟道载流子迁移率，增大栅极氧化层电容，例 如采用高介电常数的介质作栅极介质。得分评分人三、计算(共38分)(T=300K，真空介电常数：8.85 10 14 F/cm,Si的相对介电常数：11.7, SiO2的相对介电常数：3.9)分别计算300K下GaAs和Ge两种pn结的接触电势差Vbi。p

6、n结的参数 是：Nd = 1015 cm 3, Na = 1016 cm 3. (GaAs: n =2 106 cm 3; Ge: ni =2.4 1013 cm 3). (8 分)Vbi对于GaAs，0.0259ln1015 1016(2 106)21.097 (V)对于Ge151610 10Vbi 0.0259ln2 畜 0.253 (V)2.410突变硅pn结的参数为 Na = 2.25 10算零偏时的空间电荷区宽度W0 (Si: ni =1.52.25 1017 1015云 0.7156 (V)(1.5 10)20.0259lnW卜142 11.7 8.85 100.7156I 1.6

7、 10 19 10152 Vbi qNd17 cm 3 , Nd= 1015 cm 3. T = 300 K,计 1010 cm 3) (8 分)9.6 10 5(cm)硅pn结的临界击穿电场可近似为Ecrit = 4 105 V/cm.要使pn结的击穿电压大于50V，计算p+n结的n区允许的最高杂质浓度。（7分）2 qNd2crit2qVBE2crit11.7 8.85 10 14 16 10102 1.6 10 19 501.035 1016(cm 3)硅n沟道MOSFET, n+多晶硅栅极,2 1011 cm 2.计算阈值电压。（15分）衬底费米势Na= 2 1016 cm 3, tox

8、 = 50 nm, Qox =fpkTlnNa qni0.0259ln1.52 101610100.365 (V)氧化层电容Coxoxtox3.9 8.8510 1450 106.9 10 8 (F/cm 2)衬底最大耗尽层厚度xd max2 s(2 fp)qNa1/22 11.7 8.85 10 140.73f/21.6 10 19 2 10162.17 10 5 (cm)衬底耗尽层电荷19165o2QdqNaXdmax 1.6 102 102.17 106.944 10 (C/cm )氧化层等效电荷Qox1.6 10 19 2 10113.2 10 8 (C/cm2)近似认为，对于n+多晶硅栅极，费米能级 Ef与导带底能级E