电子科技大学832微电子器件考研真题

考试科目：832微电子器件一、填空题（共45分，每空1.5分）1、依照输运方程，载流子（扩散）电流主要与载流子浓度梯度相关，而（漂移）电流主要与载流子浓度相关。2、俄歇复合逆过程是（碰撞电离）。3、当PN结反偏时候，反向电流由（少子）扩散电流和势垒区（产生）电流组成。4、在二极管反向恢复过程中，中性区存放非少子浓度降低有两个原因，一是（载流子复合），二是（反向电流抽取）。5、薄基区二极管是指P区和N区中最少有一个区长度远小于该区（少子扩散长度）。在其它条件相同情况下，薄基区二极管中性区宽度越（小），扩散电流越大。6、（热击穿）又称为二次击穿，这种击穿通常是破坏性。7、双极型晶体管基区少子渡越时间是指少子在基区内从发射结渡越到集电结平均时间，等于（基区非平衡少子电荷）除以基区少子电流。8、半导体薄层材料方块电阻与材料面积无关，而与（掺杂浓度）和（厚度）相关。（备注：填电阻率和厚度也能够）。9、双极型晶体管电流放大系数具备（正）温度系数，双极型晶体管反向截止电流具备（正）温度系数。（填”正”，”负”或”零”）10、双极型晶体管用于数字电路时，其工作点设置在（截至）区和（饱和）区；MOSFET用于模拟电路时，其直流工作点设置在（饱和）区。11、因为短沟道器件沟道长度非常短，起源于漏区电力线将有一部分贯通沟道区终止于源区，造成源漏之间（势垒高度）降低，从而造成漏极电流（变大）。（第二个空填”变大”，”变小”或”不变”）12、高频小信号电压是指信号电压是指信号电压振幅小于（KT/q）；高频小信号通常是叠加在（直流偏置）上。13、MOSFET漏源击穿机理有两种，一个是（漏极PN结击穿），一个是（沟道穿通）。14、漏源交流短路情况下，MOSFET（沟道载流子）电荷随（栅极）电压改变，定义为MOSFET本征栅极电容。15、长沟道MOSFET跨导与沟道长度（成反比），与栅源电压（成正比），而发生速度饱和短沟道MOSFET跨导与沟道长度（无关）。（填”成正比”，”成反比”、”成平方关系”或”无关”）。二、简答与作图题（共50分）1、简明叙述PN结扩散电容物理意义。（6分）PN结扩散电容只存在于PN结正向导通情况。（2分）当PN结两端加正向偏置发生改变时，存放在中性区非平衡载流子浓度将发生改变，产生电容效益，这个电容称为PN结扩散电容。（4分）2、简明叙述韦伯斯脱（Webster）效应产生机理以及表现物理现象。（6分）Webster效应产生原因是：当PN结发生大注入时，在中性区会因为非平衡少子与非平衡多子在空间上分离产生自建电场，这个自建电场对非平衡少子扩散起到了加强作用。（4分）表现现象是中性区非平衡少子扩散系数等效为翻倍了。（2分）3、双极型晶体管结构中包含两个背靠背PN结，那么，能否用两个背靠背PN结二极管来实现双极型晶体管电学特征？为何？（6分）不能。（2分）因为双极型晶体管原理是利用正偏PN结提供载流子控制流过反偏PN结流过电流，所以双极型晶体管能正常工作前提是两个PN结之间存在耦合，即双极型晶体管基区足够窄，来自发射区大部分载流子都能经过基区抵达集电结，。而两个背靠背二极管是相互独立，正偏二极管电流并不能影响反偏二极管工作状态。（4分）4、对双极型晶体管共发射极输出特征曲线进行测试时，取得了下列图中两组异常输出特征曲线。请问：这两组曲线和正常共发射极输出特征曲线相比，存在什么问题？产生以上问题原因是什么？（8分）（a）（b）答：（a）异常是小电流时曲线间距变小。（2分）原因是大电流时候因为大注入和基区宽度扩展效应，造成放大系数降低。（2分）（b）异常是线性区电流随Vce增加而增加。（2分）原因是发生了early效应。（2分）5、为了减小MOSFET栅源寄生电容、栅漏寄生电容，改进MOSFET频率特征，通常采取自对准工艺来制备MOSFET。（7分）（1）请简述自对准工艺流程；（2）采取自动准工艺对MOSFET栅极材料有何要求？为何？答：（1）流程：首先热氧化栅氧化层，再在栅氧化层上淀积多晶硅，对多晶硅进行光刻和刻蚀，做出栅电极，再以多晶硅作为掩模进行离子注入，自对准形成源漏区。这么源漏区与多晶硅栅交叠非常少，所以寄生电容小。（4分）（2）自对准工艺要求MOSFET栅极材料为多晶硅，不能用Al，（1分）因为源漏区扩散温度很高，而Al熔点低，无法承受高温，而多晶硅熔点高于扩散温度。（2分）6、一个N沟MOSFET，其漏源电压VDS=0，衬底偏置VBS=0，栅源电压VGS>0.请问：（1）当VGS大到使MOSFET处于强反型状态时，半导体一侧有哪两种电荷？（2）假如VGS保持一个恒定值，问题（1）中两种电荷之和是否会发生改变？为何？（3）假如其它条件不变，衬底偏置从VBS=0变为VBS<0，这两种电荷分别会怎样改变？（8分）答：（1）半导体一侧有耗尽层电荷和反型层电荷，都带负电。（2分）（2）两种电荷之和不变，（1分）因为氧化层电容上电压没有发生改变，存放电荷也不会发生改变。（2分）（3）衬底加了偏压相当于在耗尽层两端加上了反向偏压，会使耗尽层变宽，所以耗尽层电荷增加，因为总电荷不变，反型层电荷将降低。（3分）7、下列图为一个MOSFET转移特征曲线一部分，请问：（9分）（1）该MOSFET工作在哪个区域？为何？（2）当温度升高时，图中曲线斜率将变大还是变小？（3）假如要使图中曲线斜率变大，该MOSFET栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度应怎样改变？答：（1）处于亚阈区。（2分）因为在对数坐标中，IDS与VGS关系为线性，说明IDS随VGS指数改变，所以是亚阈区（2分）（2）曲线斜率降低，（1分）温度升高，亚阈区摆幅增加，栅压对漏源电流控制能力减弱（2分）（3）要使斜率变大，应该增强栅压控制能力，所以栅氧化层厚度应减小，（1分）衬底掺杂浓度应提升。（1分）三、计算题（共55分）1、PN结二极管在下列图所表示电路中作为开关使用，忽略二极管寄生串联电阻，二极管正向导通压降为0.7V，电子和空穴寿命均为1us，输入信号为连续脉冲信号，信号波形如图所表示，占空比为50%。（8分）（1）求正向脉冲期间流过二极管电流If。（2）假设负向脉冲期间回路中电流If大小为0.1A，求该电路能正常工作最大脉冲频率。（1）If=（EI-Vf）/R=（5-0.7）/5=0.86A（3分）（2）反向恢复时间为：trr=τln（（If+Ir）/Ir）=2.26us（2分）电路能正常工作，则负向脉冲宽度大于2.26us（1分）占空比50%，所以脉冲周期大于5.52us（1分）频率为I/5.56us=0.18MHz（1分）2、某硅突变结，P区掺杂浓度为NA=1*1016cm-3,N区掺杂浓度为ND=2*1018cm-3,已知室温下硅本征载流子浓度为1.5*1010cm-3，当外加正向偏压为0.8V时，P区和N区耗尽区与中性区交界处少子浓度nP（-xP）和pn（xn）分别为多少？（10分）P区和N区大注入转折电压为：VKp=（2KT/q）*ln（20.5NA/ni）=0.715VVKN=（2KT/q）*ln（20.5ND/ni）=0.991V（2分）所以，P区为大注入，N区为小注入。（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双极型晶体管以下列图所表示，基区厚度为1um、掺杂浓度为2*1015cm-3，集电区N-区厚度为20um、掺杂浓度为1*1015cm-3，集电区N+接触区掺杂浓度和厚度足够大。硅雪崩击穿临界击穿电场Ec为2*105V/cm，介电常数εSI=1.045*10-12F/cm。求：（1）该双极型晶体管BVCBO；（2）当基区厚度不变，集电区N-区厚度变为10um时BVCBO；（3）当集电区厚度不变，基区厚度变为0.5um时BVCBO（12分）（1）当PN-结达成EC时耗尽区宽度为：XP=εSI*EC/qNA=0.65um（2分）Xn=εSI*EC/qND=13.6um（2分）因为基区宽度大于0.65um，集电区宽度大于13um，耗尽区能充分扩展，所以：BVCBO=0.5*（Xn+XP）*EC=142.5V（2分）（2）集电区N-区厚度变为10um，耗尽区不能充分扩展，N-区电场变为梯形分布（1分）142.5-0.5*（13.6-10）*EC=106.5V（2分）（3）基区宽度变为0.5um，则最大电场达成EC之前已经发生基区穿通，穿通电压为：（1分）142.5*（0.5/0.65）=109.6V（2分）忽略BVEBO，近似认为此时BVCBO=VPt=109.6V4、某NPN双极型晶体管，其基区厚度和掺杂浓度分别为1um和1*1016cm-3,电子和空穴寿命均为1us，电子和空穴扩散系数分别为Dn=20cm2/s和DP=10cm2/s，集电区厚度和掺杂浓度分别为20um和1*1015cm-3。（1）计算正向管基区输运系数；（2）计算倒向管发射结注入效率；（3）假如该晶体管基区杂质总量维持不变，杂质分布变为指数分布，越靠近发射区掺杂浓度越高，自建场因子为6，求此时正向管基区输运系数和倒向管发射结注入效率。（13分）（1）正向管基区输运系数=1-WB2/2DBτB=0.99975（公式2分，结果1分）（2）倒向管以正向管集电区作为发射区γ=1-DEWBNB/DBWENE=0.75（公式2分，结果2分，要选择正确参数进行计算）（3）正向管基区输运系数：β*=1-τb/τB=1-（WB2/2LB2）*（2/η）*（1-1/η）=0.9999（公式2分，结果1分）因为倒向管基区杂质总量没有发生改变，方块电阻不变，所以倒向管发射结注入效率不变，依然为0.75.（3分）5、N沟MOSFET工作于非饱和区，其沟道宽度Z=10um，沟道长度L=2um，单位面积栅氧化层电容COX=8*10-5F/cm2，在VDS=0.1V固定不变时有：当VGS=1.5时IDS=30mA;当VGS=2.5V时IDS=70mA，试求：（12分）（1）反型层中电子迁移率un和MOSFET阈值电压VT；（2）当VDS变为5V，VGS变为2V时，漏源电流IDS变为多少？此时器件跨导是多少？（1）工作在非饱和区，用非饱和区公式：ID=β[（VGS-VT）VDS-0.5VDS2]0.03=β[（1.5-VT）*0.1-0.5*0.12]0.07=β[（2.5-