《微电子器件原理》复习题

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V T产生影响，具体地，对于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。

3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE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V B>6E g/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V A；答案：2、截止频率f T；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I EP，其中一部分空穴与基区的电子复合，形成基极电流的I B的主要部分，集电极接收大部分空穴形成电流I CP，它是I C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V G ＝0时的C-V 特性曲线 答案：1）V G 较大的负偏压时，分母第二项趋于零，故C/C o =1 即C=C o ,这时C-V 不随电压变化－AB 段 2）当V G 的绝对值较小时，上式分母中第二项较大，不能省略，这时C/C o 随/VG/的减小而减小－BC 段3）V G ＝0，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）V G ↑在耗尽状态时C Q /C o 随V G 变化情况V G ↑时，C/C o ↓，耗尽状态时x d 随V G 增大而增大，x d 越大，则C s 越小，C/C o 随之越小，此时为CD 段5）当外加电压增大到使表面f si φϕ2>此时耗尽层得到最大值x dm ，表面出现反型层第二项趋于零，这时C/C o ＝1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（V E =0.6V,V C =-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 V G = 0时，MOSFET 为两个背靠背的PN 结，加上V DS 不会有电流。

当加上V G >0且V G >V TH ，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V DS ,会有电流从D→S , 或者说电子从源向漏漂移。

B.()dx x n q L Z n X 1011g ⎰=μ 其中， X 1为沟道宽度，n 1(x)为反型层内电子分布令()11011g Q dx x n q L Z n X -==⎰μ即反型层中单位面积的总电子电量则11Q LZ g n μ-=由s S s G C Q V V ψψ+-=+=00强反型时，Si S B S Q Q Q ψψ=+=,1所以，Si B S G C Q C Q V ψ+--=0即()TH G Si B G V V C C Q V C Q --=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+---=0001ψ式中 Si B TH C Q V ψ+-=06、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(ψSi ≥2Φf )的能带图。

（1）标出图中各处的E i 及 E f（2）从图证明ψSi =2Φf 〔12 分〕 解：（1）标出图中各处的E i 及 E f 〔12 分〕（2）从图证明ψSi =2Φf对半导体表面少子公式 KT qVs poi KTqVspo s e P n e n n 2== 当强反型时 ψs=ψsi ，KTq po s sie n n φ=强反型发生时 n s =P p0， KTq i po sien P φ22= 即KTq i po sien P 2φ= (1)而对于P 型硅体内空穴浓度 KTq i KTE E i po ffi en e n P φ==- (2)比较（1）、（2）式子得出f siq q φψ=2即ψSi =2Φf8、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：npN 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g m 和沟道电导g D，说明提高g m的具体措施；（每步2分，电导计算4分，措施3分）答案：DS n ox constV GS D m V LWC V I g DS μ=∂∂==， ])[(DS T GS n ox constV DSD D V V V LWC V I g GS --=∂∂==μ 提高g m 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，)exp(kTqV I I BES C =，]1)[ex p(-=kTqV I I BEFSB β，试求该器件正向电流增益F β，并说明提高F β的几种途径。

其中，)exp(2kT qV W D N n qA I BE B B B i E C =，]1)[exp(2-=kT qVW D N n qA I BE E E E i E B 。

（计算推导9分，措施6分） 答案：经推导计算可得，BEE B B E B CF W W D D N N I I ≈=β，提高F β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：)ex p()(0Tk E E n x n iFn i p p -=-〔4分〕 )exp()(0Tk E E n x p Fp i i p p -=- )exp()exp()()(0022Tk qV n Tk E E n x p x n i FpFn i p p p p =-=-- p p (-x p ) 为多数载流子，即2000)(i n n p p x p p p p p p ==-)ex p()ex p()(0000Tk qV qV n T k qV n x n Dn p p p -==-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=--=-∆1)exp()()(000T k qVn n x n x n p p p p p p同理，n 区边界少子浓度：)ex p()ex p()(0000Tk qV qV p T k qV p x p Dp n n n -== ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=∆1)exp()()(000T k qVp p x p x p n n n n n n 022=∆--∆-∆pnx n p n x p n p p dx dE p dx p d E dx p d D τμμ〔4分〕 小注入时，dx dE x /很小，忽略不计，在扩散区内E x =0：022=∆-∆p nn p p dx p d D τ方程通解为：)ex p()ex p()()(0pp n n n L xB L x A p x p x p +-=-=∆ 其中：pp p D L τ=边界条件：)exp()(0kTqVp x p x x n n n n == 0)(n n p p x =∞∞=得： )exp(1)exp()(000p n n n n L x x T k qVp p x p -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-同理可得注入P 区的非平衡少子：)exp(1)exp()(000n p p p p L x x T k qVn n x n +⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-在小注入时，扩散区不存在电场，在x=x n 处，空穴扩散流密度为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-==1)exp()()(00T k qV L p qD dxx dp qD x J p n p x x np n p n〔4分〕 同理，在x=-x p 处的电子扩散流密度为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==--=1)exp()()(00T k qVL n qD dxx dn qD x J n p n x x p np n p通过PN 结的总电流密度为： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+-=1exp )()(000T k qV L p qD L n qD x J x J J p n p n p n n p p n p n p n p n S L p qD L n qD J 00+= ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1)exp(0T k qVJ J S 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N d ＝10 16cm -3和N a ＝1018cm -3 。