微电子器件基础 思考题和习题答案第4章 MOS场效应晶体管

MOSFET和BJT相比具有哪些特点？它们的工作原理有何不同？答：MOSFET是根据MOS结构的表面场效应原理而工作的。在MOS结构的金属层相对于半导体层施加一定的电压，那么该半导体的表面将随着这个电压的正、负极性及其大小的变化而出现表面多子耗尽、表面反型和表面多子积累等各种表面状态。在半导体表面出现反型层以后，该反型层中载流子的浓度又可以通过金属上所加的电压进行调节。MOSFET的沟道电阻就是根据这一原理进行调节的。BJT与MOSFET的工作原理完全不同。它是根据发射区注入到基区的少数载流子在基区进行扩散运动的过程中，一边扩散，一边复合，由于基区很薄，所以少数载流子在渡越基区的过程中只有极少一部分与基区的多子复合形成基极电流，而绝大部分的少数载流子都能够渡越基区，到达集电结的边界，被集电极收集并形成集电极电流。根据这一原理，我们就可以用微小的基极电流变化来控制较大的集电极电流的变化。综上所述，MOSFET是利用栅极电压的变化来控制漏源电流的变化，而BJT是利用基极电流的变化来控制集电极电流的变化。前者是场控器件，控制电流很小，可以忽略不计，功耗也较小;后者是电流控制器件，有电荷存储效应，功耗也较大。n沟道MOSFET和p沟道MOSFET有什么不同？答：n沟道MOSFET衬底为p型掺杂半导体，沟道为反型电子导电沟道；p沟道MOSFET衬底为n型掺杂半导体，沟道为反型空穴导电沟道。什么是阈值电压？影响阈值电压的因素有哪些？答：阈值电压是MOS结构半导体与氧化物界面达到阈值反型点时所需的栅压VG。阈值电压影响因素：（1）栅氧化层垫层越大，阈值电压越小；（2）衬底掺杂浓度越小，阈值电压越小；（3）氧化层正电荷越大，阈值电压越小；（4）金半功函数差越大，阈值电压越小试述MOSFET伏安特性的分段模型，影响直流特性的因素有哪些？答：分段模型如下图所示，分析略。影响直流特性的因素有栅源电压、漏源电压，从器件固有参数来看有阙值电压、沟道长度、沟道宽度、衬底掺杂浓度、载流子迁移率、氧化层厚度、氧化层介电常数及栅区的有效面积。导致漏源击穿的机制有哪几种？各有何特点？答：漏源击穿的机制主要有下面几种:沟道雪崩击穿，寄生NPN击穿，漏源穿通等。沟道雪崩击穿的特点是漏、衬PN结上所加的电压上升到一定程度，发生雪崩时所导致的击穿;寄生NPN击穿是指NMOSFET的源、衬、漏三个区在沟道长度足够短时形成寄生NPN晶体管，该晶体管满足导通条件时就会引起漏源击穿;漏源穿通是指漏端PN结在高反压下空间电荷区展宽，使得漏源之间的中性区消失时，源端PN结注入的载流子可以直接被漏端PN结反向电场抽取，形成强大的电流所导致的击穿。如何提高MOS场效应晶体管的频率特性？答：要提高截止频率可以采取以下措施:①减小沟道长度;②选择迁移率大的材料;③改善表面状态，降低表面态密度;④减小寄生电容。什么是MOSFET的跨导？怎样提高跨导？答：跨导分为栅跨导和衬底跨导。栅跨导是指在漏源电压、衬源电压不变的情况下漏源电流随栅源电压的变化率，用公式表示为，衬底跨导是指在漏源电压、栅源电压不变的情况下漏源电流随衬源电压的变化率，用公式表示为。因为一般使用情况下，衬、源是短路的，所以通常所说的跨导就是指栅跨导。在V-I特性曲线上不同的工作区跨导是个一样的。线性区的跨导为，饱和区的跨导表示为根据上述表达式可知，要提高跨导就得减小饱和区的跨导表示为8msL沟道长度，增加沟道宽度，选择迁移率高的材料，增加栅区的有效面积，减小氧化层厚度等等。8．画出MOSFET交流小信号等效电路，并说明其中每个元件的名称和含义。9．n沟道MOSFET的参数为：衬底掺杂浓度NA为1015cm3，栅氧化层厚度TOX为120nm，栅氧化层中有效电荷面密度QOX为3×1011cm2。试计算其阈值电压VT。答：氧化层电容为平带电压为费米势为金属铝与p-Si的功函数差此时阈值电压为10．一个以高掺杂p型多晶硅为栅极的p沟道MOSFET，在源与衬底接地时阈值电压VT为1.5V。在外加5V的衬底偏压后，测得其VT为2.3V。若栅氧化层厚度为100nm，试求其衬底掺杂浓度。答：对于P沟道MOSFET由上式可以解出式中由于是ND的函数，所以上面ND的表达式并不是封闭解，实际上由于ND对影响不大，可先假设ND为1015cm-3，由此算得2=-0.578V。代入得11．试求出习题10中，当外加5V衬底偏压时，温度升高10℃引起的阈值电压的变化。答：提示阈值电压与温度的关系：计算略。12．对于n沟道增强型MOSFET，已知TOX为100nm，W为100nm，L为2µm，VT为0.8V，试求在VDS为2.5V、VGS为3V时MOSFET的漏源电流（设µn=600cm2/(V·s)，且ε0=8.85×1014F/cm，εOX=3.9）。答：因为，所以器件工作在饱和区源漏电流：13．3DO1型MOSFET，TOX=160nm，W/L=45，L=12µm，µn=600cm2/(V·s)，已知饱和时漏源电压VDsat=10V，试求其跨导及最高工作频率。答：氧化层电容：增益因子已知饱和