安徽大学2014王敏微电子学概论作业全版(附答案)
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VTH ms Q0 QB Si C0 C0
C0
r0 0 2.95 108 F / cm2 x0
NA 0.289V ni
f VT ln
Eg ms m s m f 3.2 3.8 0.29 0.89V 2
Vms为金属和半导体之间的功函数差；
Qfc为在Si-SiO2界面处的栅氧化层内的电荷与界面态电荷的面密度； QB为强反型时半导体表面耗尽层电荷（又叫体电荷）面密度的最大值；
Cox为单位面积栅氧化层电容。
16
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微电子学概论
10.阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 • • 影响阈值电压的因素: (1)栅电极材料Vms:半导体和栅导电层一般具有不同的功函数， 因此会存在一定的接触电势差，它会影响半导体表面的空间电 荷区和能带状况； (2)栅氧化层QB/Qfc ：栅氧化层的厚度都会影响阈值电压， 体现在QB/Cox。同时栅氧化层的质量也会影响阈值电压，体 现在Qfc/Cox。在实际MIS结构的绝缘层中，往往存在电荷，这 也要影响半导体表面的空间电荷区和能带状况； (3)衬底掺杂浓度VF：衬底的掺杂浓度可以调节阈值电压，一 般提高衬底的掺杂浓度可以提高本征阈值。
5.
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
定性解释PN结的势垒电容和扩散电容。
说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程。 晶体管的三种工作状态。 讨论PMOS晶体管的工作原理。 说明什么是反型层及形成反型层的条件。 阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。 解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
6
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微电子学概论
2.
空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子构 成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？
空间电荷区主要由施主离子、受主离子构成的。 在空间电荷区内，绝大部分区域内的载流子浓度远小于电离杂质 浓度。即在空间电荷区p型一侧（即负电荷区）的绝大部分区域， 空穴浓度和电子浓度远小于电离受主浓度，所以负电荷区负电荷 的浓度近似等于电离受主的浓度；同样在正电荷区正电荷的浓度 近似等于电离施主的浓度。这种情况就好像是电子和空穴被“耗 尽”了，因此也把空间电荷区称为耗尽区或耗尽层。
2.
•
发射极注入非平衡少子到基区，由于基区的宽度远小于 基区中少子的扩散长度，因此注入到基区的少子能够靠 扩散通过基区，并被集电结电场拉到集电区，流出集电 极，使得反向偏置的集电结流过反向大电流。
12
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微电子学概论
7.晶体管的三种Fra Baidu bibliotek作状态。
• 放大区：发射结正偏，集电结反偏, IC IB ；
20
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微电子学概论
12.解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
• （3）饱和区：BC段
• 当VDS>VDsat时，沟道夹断点向源区方向移动，在沟道与漏区之间隔 着一段耗尽区。当沟道内的载流子到达沟道端头的耗尽区边界时，将 立即被耗尽区内的强电场扫入漏区，此时，载流子在耗尽区内的漂移 速度达到了饱和速度，不再随电场的增大而增大，所以ID不随VDS增 大而增大，故称为饱和区。
QB 4rs0qNAf 1.39 108 C / cm2
1.6 1019 3 1011 1.39 108 0.89 2 0.289 1.47V 2.95 108 2.95 108
22
VTH
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• 饱和区：发射结正偏，集电结正偏, IC UCC R C ；
• 截止区：发射结反偏，集电结反偏， IC 0 。
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微电子学概论
8.讨论PMOS晶体管的工作原理 1. 2. PMOS指P沟道MOSFET，衬底为n型，源漏分别为P+掺 杂； 增强型PMOS：VG=0时，即使在源漏之间加一定的电压， 也没有明显的电流流过，只有少量的pn结反向电流；
10
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微电子学概论
6.说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程
• 结构特点：
• 输运过程：
11
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微电子学概论
6.说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程
1.
•
结构特点：
以npn为例。由发射区、基区、集电区组成，相应引出来 的电极分别为发射极、基极、集电极。其中，发射区高 掺杂，基区低掺杂、宽度远小于p区少子电子的扩散长度， 集电区面积最大。 输运过程：
9
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微电子学概论
• 5.定性解释PN结的势垒电容和扩散电容。 • pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和 “取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压变化，其和一 个电容器的充放电作用相似。这种由于势垒区宽度的变化引起的pn结 电容效应，称为pn结的势垒电容。 • 由于扩散区的电荷数量随着外加电压的变化所产生的电容效应，称为 pn结的扩散电容。
微电子学概论
第三章 作业参考答案
1. 集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别；
2.
3. 4.
标准隐埋集电极隔离（SBC）结构中n+埋层以及外延层的作用；
如何减小集成NPN晶体管有源寄生效应？ 如何减小CMOS集成电路的寄生效应？
5.
6. 7. 8. 9.
如何制备超β 双极型集成晶体管？
CMOS开关的结构及直流输入特性。 互补型CMOS反相器的工作原理； 说明为什么用NMOS做下拉开关，用PMOS做上拉开关。 静态随机存储器是如何存取信息的？
7
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微电子学概论
3.如何利用EF判别半导体材料导电类型、掺杂浓度以及温度状态？ 导电类型的判别，可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
EF>Ei半导体为n型半导体；EF=Ei，半导体为本征半导体； EF<Ei， 半导体为p型半导体。
掺杂浓度的判别，可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
3
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微电子学概论
不同种材料中载流子迁移率不同的原因：
1. 掺杂浓度影响迁移率。温度一定时，影响迁移率的主要因素为杂质 电离散射：低掺杂，杂质电离散射对迁移率的影响较弱，迁移率基 本与掺杂浓度无关；较高掺杂，杂质电离散射对迁移率的影响增强， 迁移率随掺杂浓度的增高显著下降；高掺杂，杂质电离饱和，中性 杂质对迁移率的影响上升为主要矛盾，迁移率随掺杂浓度的增高下 降缓慢。
2.
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微电子学概论
10.阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 外加栅压：VT VFB Vox Vs ，其中：
• （1）平带电压 VFB Vms
Q fc C ox
；
QB • （2）栅氧化层上产生的电压降 Vox ； C ox
• （3）降在半导体表面的耗尽层上Vs = 2VF 。
• （4）击穿区：CD段 • 当VDS增大到漏源击穿电压BVDS的值时，反向偏置的漏PN结会因雪崩 倍增效应而发生击穿，或在源区和漏区之间发生穿通，这时，ID将迅 速上升，称为击穿区。
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微电子学概论 • 在NA=1015cm-3的P型<111>硅上制成一铝栅MOS晶体管。栅极氧化层厚度为 120nm，在氧化硅-硅界面的表面电荷密度为3×1011cm-2。计算阈值电压（二 氧化硅相对介电常数 r0 4 ）。
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•
•
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微电子学概论
11. MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。
• 基本结构：源区S；漏区D；栅极G；体区B；栅氧化层
• 其中nMOS：衬底为p型，源漏区为n+； • pMOS：衬底为n型，源漏区为p+。
沟道 沟道
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微电子学概论
11. MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。 • 如何区分源漏极： • 载流子运动的方向一致，从源区到漏区，因此： • 对于n沟道MOSFET，通常漏源之间加偏压之后，将电位低的 一端称为源，电位高的一端称为漏，电子从源区流向漏区，其 电流方向由漏流向源； • 对于p沟道MOSFET，通常漏源之间加偏压之后，将电位高的 一端称为源，电位低的一端称为漏，空穴从源区流向漏区，其 电流方向由源流向漏。
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微电子学概论
12.解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
• （1）线性区：0A段
• 当VDS较小时，沟道中各点的自由载流子浓度近似相等。沟道就像一 个其电阻值与VDS无关的固定电阻，故ID与VDS成线性关系。
• （2）非饱和区（过渡区）：AB段
• 随着VDS增大，沟道厚度就将随着向漏极靠近而逐渐减薄，故使沟道 电阻增大。当VDS增大到夹断电压VDsat时，沟道厚度在漏极处减薄到0， 沟道在漏极消失，沟道被夹断。B点代表沟道开始夹断时的工作状态， AB段称为过渡区。
10. 利用互补型CMOS设计复合逻辑门：
微电子学概论
第二章 作业参考答案
1. 2. 不同种材料中载流子迁移率不同，同一种材料的载流子迁移率相同么？说明原因。 空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子构成的？空间电荷区又称为 耗尽区，为什么？ 3. 4. 如何利用EF判别半导体材料导电类型、掺杂浓度以及温度状态。 解释PN结的正向注入效应和反向抽取作用。（定性解释PN结的单向导通特性）
N型半导体，EF越远离Ei向上移动，说明掺杂浓度越高； P型半导体，EF越远离Ei向下移动，说明掺杂浓度越高。
温度状态的判别：可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
温度越高，EF越靠近Ei。说明同样条件下，EF越靠近Ei，半导体所 处的温度越高。
8
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微电子学概论
4.解释PN结的正向注入效应和反向抽取作用。（或扩展定性解释 PN结的单向导通特性） • 正向注入效应：向空间电荷区注入相应区域的多子，向扩散区 中注入相应区域的少子； • 反向抽取效应：从空间电荷区抽取相应区域的多子，从扩散区 中抽取相应区域的少子。
1
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微电子学概论
1.不同种材料中载流子迁移率不同，同一种材料的载流子 迁移率相同么？说明原因。
载流子迁移率等于单位场强作用下的平均漂移速度。分为 电子迁移率和空穴的迁移率。
2
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微电子学概论
不同种材料中载流子迁移率不同
• 主要影响因素是τ，外部表现为掺杂浓度不同和温度不同。 • 迁移率和掺杂浓度有关（以300K为例）； • 迁移率和温度有关：低掺杂；较高掺杂；高掺杂。
温度影响迁移率。影响迁移率的主要因素为杂质电离散射和晶格震 动散射，且两者由于温度对迁移率的影响相反。低掺杂，杂质电离 散射较弱，体现出晶格振动散射，迁移率随温度的升高大幅度下降； 随着掺杂的增加，杂质电离散射增强，迁移率随温度变化平缓；很 高掺杂，晶格振动散射在较低温度下对迁移率的影响很弱，体现出 杂质电离散射，因此，低温时迁移率随温度上升而缓慢增高；而随 着温度的增加，晶格振动散射上升为主要影响因素，迁移率随着温 4 度上升而下降。
3.
当在栅上加有一定的负电压VG <0，
并︱VG︱≥VT时，可形成空穴导电 沟道，电流方向由源端流向漏端。
14
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微电子学概论
9.说明什么是反型层及形成反型层的条件
1.
由于外加电场的作用，半导体中多数载流子被排斥到远离 表面的体内，而少数载流子则被吸引到表面。少子在表面 附近聚集而成为表面附近区域的多子，在表面构成了一个 沟道，称为反型层。 形成反型层的条件： ① 当VS＝VF，弱反型； ② 当VS＝2VF ，强反型。
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2.
微电子学概论
同一种材料的载流子迁移率也不相同的重要原因：
• 对于同种材料，电子的有效质量通常要小于空穴的有效质量， 这是同一种材料的载流子迁移率也不相同的重要原因。通常电 子迁移率大于空穴的迁移率。
5
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微电子学概论
2.
空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子 构成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？
C0
r0 0 2.95 108 F / cm2 x0
NA 0.289V ni
f VT ln
Eg ms m s m f 3.2 3.8 0.29 0.89V 2
Vms为金属和半导体之间的功函数差；
Qfc为在Si-SiO2界面处的栅氧化层内的电荷与界面态电荷的面密度； QB为强反型时半导体表面耗尽层电荷（又叫体电荷）面密度的最大值；
Cox为单位面积栅氧化层电容。
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10.阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 • • 影响阈值电压的因素: (1)栅电极材料Vms:半导体和栅导电层一般具有不同的功函数， 因此会存在一定的接触电势差，它会影响半导体表面的空间电 荷区和能带状况； (2)栅氧化层QB/Qfc ：栅氧化层的厚度都会影响阈值电压， 体现在QB/Cox。同时栅氧化层的质量也会影响阈值电压，体 现在Qfc/Cox。在实际MIS结构的绝缘层中，往往存在电荷，这 也要影响半导体表面的空间电荷区和能带状况； (3)衬底掺杂浓度VF：衬底的掺杂浓度可以调节阈值电压，一 般提高衬底的掺杂浓度可以提高本征阈值。
5.
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
定性解释PN结的势垒电容和扩散电容。
说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程。 晶体管的三种工作状态。 讨论PMOS晶体管的工作原理。 说明什么是反型层及形成反型层的条件。 阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。 解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
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2.
空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子构 成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？
空间电荷区主要由施主离子、受主离子构成的。 在空间电荷区内，绝大部分区域内的载流子浓度远小于电离杂质 浓度。即在空间电荷区p型一侧（即负电荷区）的绝大部分区域， 空穴浓度和电子浓度远小于电离受主浓度，所以负电荷区负电荷 的浓度近似等于电离受主的浓度；同样在正电荷区正电荷的浓度 近似等于电离施主的浓度。这种情况就好像是电子和空穴被“耗 尽”了，因此也把空间电荷区称为耗尽区或耗尽层。
2.
•
发射极注入非平衡少子到基区，由于基区的宽度远小于 基区中少子的扩散长度，因此注入到基区的少子能够靠 扩散通过基区，并被集电结电场拉到集电区，流出集电 极，使得反向偏置的集电结流过反向大电流。
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7.晶体管的三种Fra Baidu bibliotek作状态。
• 放大区：发射结正偏，集电结反偏, IC IB ；
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12.解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
• （3）饱和区：BC段
• 当VDS>VDsat时，沟道夹断点向源区方向移动，在沟道与漏区之间隔 着一段耗尽区。当沟道内的载流子到达沟道端头的耗尽区边界时，将 立即被耗尽区内的强电场扫入漏区，此时，载流子在耗尽区内的漂移 速度达到了饱和速度，不再随电场的增大而增大，所以ID不随VDS增 大而增大，故称为饱和区。
QB 4rs0qNAf 1.39 108 C / cm2
1.6 1019 3 1011 1.39 108 0.89 2 0.289 1.47V 2.95 108 2.95 108
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VTH
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• 饱和区：发射结正偏，集电结正偏, IC UCC R C ；
• 截止区：发射结反偏，集电结反偏， IC 0 。
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8.讨论PMOS晶体管的工作原理 1. 2. PMOS指P沟道MOSFET，衬底为n型，源漏分别为P+掺 杂； 增强型PMOS：VG=0时，即使在源漏之间加一定的电压， 也没有明显的电流流过，只有少量的pn结反向电流；
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6.说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程
• 结构特点：
• 输运过程：
11
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6.说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程
1.
•
结构特点：
以npn为例。由发射区、基区、集电区组成，相应引出来 的电极分别为发射极、基极、集电极。其中，发射区高 掺杂，基区低掺杂、宽度远小于p区少子电子的扩散长度， 集电区面积最大。 输运过程：
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• 5.定性解释PN结的势垒电容和扩散电容。 • pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和 “取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压变化，其和一 个电容器的充放电作用相似。这种由于势垒区宽度的变化引起的pn结 电容效应，称为pn结的势垒电容。 • 由于扩散区的电荷数量随着外加电压的变化所产生的电容效应，称为 pn结的扩散电容。
微电子学概论
第三章 作业参考答案
1. 集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别；
2.
3. 4.
标准隐埋集电极隔离（SBC）结构中n+埋层以及外延层的作用；
如何减小集成NPN晶体管有源寄生效应？ 如何减小CMOS集成电路的寄生效应？
5.
6. 7. 8. 9.
如何制备超β 双极型集成晶体管？
CMOS开关的结构及直流输入特性。 互补型CMOS反相器的工作原理； 说明为什么用NMOS做下拉开关，用PMOS做上拉开关。 静态随机存储器是如何存取信息的？
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3.如何利用EF判别半导体材料导电类型、掺杂浓度以及温度状态？ 导电类型的判别，可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
EF>Ei半导体为n型半导体；EF=Ei，半导体为本征半导体； EF<Ei， 半导体为p型半导体。
掺杂浓度的判别，可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
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不同种材料中载流子迁移率不同的原因：
1. 掺杂浓度影响迁移率。温度一定时，影响迁移率的主要因素为杂质 电离散射：低掺杂，杂质电离散射对迁移率的影响较弱，迁移率基 本与掺杂浓度无关；较高掺杂，杂质电离散射对迁移率的影响增强， 迁移率随掺杂浓度的增高显著下降；高掺杂，杂质电离饱和，中性 杂质对迁移率的影响上升为主要矛盾，迁移率随掺杂浓度的增高下 降缓慢。
2.
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10.阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。 外加栅压：VT VFB Vox Vs ，其中：
• （1）平带电压 VFB Vms
Q fc C ox
；
QB • （2）栅氧化层上产生的电压降 Vox ； C ox
• （3）降在半导体表面的耗尽层上Vs = 2VF 。
• （4）击穿区：CD段 • 当VDS增大到漏源击穿电压BVDS的值时，反向偏置的漏PN结会因雪崩 倍增效应而发生击穿，或在源区和漏区之间发生穿通，这时，ID将迅 速上升，称为击穿区。
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微电子学概论 • 在NA=1015cm-3的P型<111>硅上制成一铝栅MOS晶体管。栅极氧化层厚度为 120nm，在氧化硅-硅界面的表面电荷密度为3×1011cm-2。计算阈值电压（二 氧化硅相对介电常数 r0 4 ）。
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•
•
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11. MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。
• 基本结构：源区S；漏区D；栅极G；体区B；栅氧化层
• 其中nMOS：衬底为p型，源漏区为n+； • pMOS：衬底为n型，源漏区为p+。
沟道 沟道
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11. MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。 • 如何区分源漏极： • 载流子运动的方向一致，从源区到漏区，因此： • 对于n沟道MOSFET，通常漏源之间加偏压之后，将电位低的 一端称为源，电位高的一端称为漏，电子从源区流向漏区，其 电流方向由漏流向源； • 对于p沟道MOSFET，通常漏源之间加偏压之后，将电位高的 一端称为源，电位低的一端称为漏，空穴从源区流向漏区，其 电流方向由源流向漏。
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12.解释当VG>VT时，MOSFET的电流－电压特性。
• （1）线性区：0A段
• 当VDS较小时，沟道中各点的自由载流子浓度近似相等。沟道就像一 个其电阻值与VDS无关的固定电阻，故ID与VDS成线性关系。
• （2）非饱和区（过渡区）：AB段
• 随着VDS增大，沟道厚度就将随着向漏极靠近而逐渐减薄，故使沟道 电阻增大。当VDS增大到夹断电压VDsat时，沟道厚度在漏极处减薄到0， 沟道在漏极消失，沟道被夹断。B点代表沟道开始夹断时的工作状态， AB段称为过渡区。
10. 利用互补型CMOS设计复合逻辑门：
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第二章 作业参考答案
1. 2. 不同种材料中载流子迁移率不同，同一种材料的载流子迁移率相同么？说明原因。 空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子构成的？空间电荷区又称为 耗尽区，为什么？ 3. 4. 如何利用EF判别半导体材料导电类型、掺杂浓度以及温度状态。 解释PN结的正向注入效应和反向抽取作用。（定性解释PN结的单向导通特性）
N型半导体，EF越远离Ei向上移动，说明掺杂浓度越高； P型半导体，EF越远离Ei向下移动，说明掺杂浓度越高。
温度状态的判别：可以利用EF和Ei的相对位置进行判断：
温度越高，EF越靠近Ei。说明同样条件下，EF越靠近Ei，半导体所 处的温度越高。
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4.解释PN结的正向注入效应和反向抽取作用。（或扩展定性解释 PN结的单向导通特性） • 正向注入效应：向空间电荷区注入相应区域的多子，向扩散区 中注入相应区域的少子； • 反向抽取效应：从空间电荷区抽取相应区域的多子，从扩散区 中抽取相应区域的少子。
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1.不同种材料中载流子迁移率不同，同一种材料的载流子 迁移率相同么？说明原因。
载流子迁移率等于单位场强作用下的平均漂移速度。分为 电子迁移率和空穴的迁移率。
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不同种材料中载流子迁移率不同
• 主要影响因素是τ，外部表现为掺杂浓度不同和温度不同。 • 迁移率和掺杂浓度有关（以300K为例）； • 迁移率和温度有关：低掺杂；较高掺杂；高掺杂。
温度影响迁移率。影响迁移率的主要因素为杂质电离散射和晶格震 动散射，且两者由于温度对迁移率的影响相反。低掺杂，杂质电离 散射较弱，体现出晶格振动散射，迁移率随温度的升高大幅度下降； 随着掺杂的增加，杂质电离散射增强，迁移率随温度变化平缓；很 高掺杂，晶格振动散射在较低温度下对迁移率的影响很弱，体现出 杂质电离散射，因此，低温时迁移率随温度上升而缓慢增高；而随 着温度的增加，晶格振动散射上升为主要影响因素，迁移率随着温 4 度上升而下降。
3.
当在栅上加有一定的负电压VG <0，
并︱VG︱≥VT时，可形成空穴导电 沟道，电流方向由源端流向漏端。
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9.说明什么是反型层及形成反型层的条件
1.
由于外加电场的作用，半导体中多数载流子被排斥到远离 表面的体内，而少数载流子则被吸引到表面。少子在表面 附近聚集而成为表面附近区域的多子，在表面构成了一个 沟道，称为反型层。 形成反型层的条件： ① 当VS＝VF，弱反型； ② 当VS＝2VF ，强反型。
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2.
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同一种材料的载流子迁移率也不相同的重要原因：
• 对于同种材料，电子的有效质量通常要小于空穴的有效质量， 这是同一种材料的载流子迁移率也不相同的重要原因。通常电 子迁移率大于空穴的迁移率。
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2.
空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子 构成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？