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1、考试科目：832 微电子器件 一、填空题（共45分，每空1.5分）1、根据输运方程，载流子的（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、俄歇复合的逆过程是（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）电流构 成。4、在二极管的反向恢复过程中，中性区存储的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区中至少有一个区的长度远小于该区的（少子扩 散长度）。在其它条件相同的情况下，薄基区二极管的中性区宽度越（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
2、性的。7、双极型晶体管的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 的平均时间，等于（基区非平衡少子电荷）除以基区少子电流。8、半导体薄层材料的方块电阻与材料的面积无关，而与（掺杂浓度）和（厚度） 相关。（备注：填电阻率和厚度也可以）。9、双极型晶体管的电流放大系数具有（正）温度系数，双极型晶体管的反向截 止电流具有（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、由于短沟道器件的沟道长度非常短，起源于漏区的电力线将有一部分贯穿沟道区终止于源区，造成源漏之
3、间的（势垒高度）降低，从而造成漏极电流的（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的振幅小于（KT/q）；高频小信 号通常是叠加在（直流偏置）上的。13、MOSFET 漏源击穿的机理有两种，一种是（漏极 PN 结击穿），一种是（沟道 穿通）。14、漏源交流短路的情况下，MOSFET的（沟道载流子）电荷随（栅极）电压的 变化，定义为 MOSFET 的本征栅极电容。15、长沟道 MOSFET 的跨导与沟道长度（成反比），与栅源电压（成正比），而发 生速度饱和的短沟道 MOSFET 的跨导与沟道长度（无关）。（填”成正比”，”成反 比”、”成平
4、方关系”或”无关”）。二、简答与作图题（共50分）1、简要叙述 PN 结扩散电容的物理意义。（6 分）PN 结扩散电容只存在于 PN 结正向导通的情况。（2 分）当 PN 结两端加的正向 偏置发生变化时，存储在中性区的非平衡载流子浓度将发生变化，产生电容效益， 这个电容称为 PN 结扩散电容。（4 分）2、简要叙述韦伯斯脱（Webster）效应产生的机理以及表现的物理现象。（6分）Webster 效应产生的原因是：当 PN 结发生大注入时，在中性区会由于非平衡少 子与非平衡多子在空间上的分离产生自建电场，这个自建电场对非平衡少子的扩 散起到了加强的作用。（4 分）表现的现象是中性区非平衡少子的
5、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的 PN 结，那么，能否用两个背靠背的PN 结二极管来实现双极型晶体管的电学特性？为什么？（6 分）不能。（2 分）因为双极型晶体管的原理是利用正偏PN结提供的载流子控制流过反偏PN结流 过的电流，因此双极型晶体管能正常工作的前提是两个PN结之间存在耦合，即 双极型晶体管的基区足够窄，来自发射区的大部分载流子都能通过基区到达集电 结，。而两个背靠背的二极管是相互独立的，正偏二极管的电流并不能影响反偏 二极管的工作状态。（4 分）4、对双极型晶体管的共发射极输出特性曲线进行测试时，获得了下图中的两组 异常输出特性曲线。请问：这
6、两组曲线和正常的共发射极输出特性曲线相比，存a）b）答:（a）的异常是小电流时曲线间距变小。（2分）原因是大电流时候由于大注入 和基区宽度扩展效应，造成放大系数的降低。（2分）（b）的异常是线性区电流随V的增加而增加。（2分）原因是发生了 early效应。ce（2 分）5、为了减小MOSFET的栅源寄生电容、栅漏寄生电容，改善MOSFET的频率特 性，通常采用自对准工艺来制备MOSFET。（7分）（1）请简述自对准工艺的流程；（2）采用自动准工艺对MOSFET的栅极材料有何要求？为什么？ 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
7、晶硅作为掩模进行离子注入，自对准形成源 漏区。这样源漏区与多晶硅栅的交叠非常少，因此寄生电容小。（4分）（2）自对准工艺要求MOSFET的栅极材料为多晶硅，不能用Al，（1分）因为源 漏区扩散的温度很高，而 Al 的熔点低，无法承受高温，而多晶硅的熔点高于扩 散温度。（2 分）6、一个N沟MOSFET,其漏源电压V =0,衬底偏置V =0,栅源电压V 0.请DSBSGS问：（1）当V大到使MOSFET处于强反型状态时，半导体一侧有哪两种电荷？GS（2）如果V保持一个恒定值，问题（1）中的两种电荷之和是否会发生变化？GS为什么？（3）如果其它条件不变，衬底偏置从V =0变为V 0,这两种电荷分别
8、会怎样BSBS变化？（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）因为氧化层电容上的电压没有发生变化，存储 的电荷也不会发生变化。（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，因 此耗尽层电荷增加，由于总电荷不变，反型层电荷将减少。（3 分）7、下图为一个MOSFET的转移特性曲线的一部分，请问:（9分）该MOSFET工作在哪个区域？为什么？（2）当温度升高时，图中曲线的斜率将变大还是变小？（3）如果要使图中曲线的斜率变大，该MOSFET的栅氧化层厚度和衬底掺杂浓 度应如何变化？ir*答:（1）处
9、于亚阈区。（2分）因为在对数坐标中，1与V的关系为线性，说明DSGSI随V指数变化，因此是亚阈区（2分）DSGS（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，应该增强栅压的控制能力，因此栅氧化层厚度应减小，（1 分）衬底掺杂浓度应提高。（1 分）三、计算题（共55分）1、PN 结二极管在下图所示的电路中作为开关使用，忽略二极管的寄生串联电阻，二极管的正向导通压降为0.7V，电子和空穴的寿命均为1us，输入信号为连续脉冲信号，信号波形如图所示，占空比为 50%。（8 分）（1）求正向脉冲期间流过二极管的电流 If 。 假设负向脉冲
10、期间回路中的电流If大小为0.1A，求该电路能正常工作的最 大脉冲频率。（1）I=（E-V）/R =（5-0.7）/5 =0.86A（3分）（2）反向恢复时间为：trr = Tin （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%，因此脉冲周期大于5.52us（1分）频率为 |/5.56us = 0.18 MHz （1 分）2、某硅突变结，P区的掺杂浓度为N =1 * 1016 cm-3 ,N区的掺杂浓度为N =2 *AD1018 cm-3 ,已知室温下硅的本征载流子浓度为 1.5 * 1010 cm-3 ，当外加正向偏压
11、为0.8 V时，P区和N区耗尽区与中性区交界处的少子浓度n （-x ）和卩（x ）P Pn n分别为多少？ （10分）P区和N区的大注入转折电压为：V =（2KT/q）*ln（20.5N /ni）=0.715VKpAV =（2KT/q）*ln（20.5N /ni）=0.991V （2分）KN D因此，P区为大注入，N区为小注入。（2分）n =n2/N =2.25 * 104 cm-3p0 i Ap = n2/N =1.125 * 102 cm-3（2分）n0 i Dn （-x ）=n exp（qv/2KT）=7.2 * 1016 cm-3pPip（x ）=p exp（qv/KT）=2.59 *
12、 1015 cm-3（4分）nn n03、某NPN双极型晶体管如下图所示，基区的厚度为1um、掺杂浓度为2 * 1015cm-该双极型晶体管的BV；CBO 当基区厚度不变，集电区N-区厚度变为10um时的BVCbo ； 当集电区厚度不变，基区厚度变为0.5um时的BVCbo（12分）,集电区N-区的厚度为2Oum、掺杂浓度为1 * 1015 cm-3，集电区的N+接触区掺杂浓度和厚度足够大。硅的雪崩击穿临界击穿电场E为2*105V/cm，介 c电常数& =1.045*10-12 F/cm。求：SI当PN-结达到Ec时的耗尽区宽度为：X = E * E / qN = 0.65 um （2 分）P
13、SICAX = e * E / qN = 13.6 um （2 分）nSICD由于基区宽度大于0.65um,集电区宽度大于13um,耗尽区能充分扩展，因 此：BV =0.5*（X +X ）*E =142.5V （2 分）CBOn PC 集电区N-区厚度变为10um，耗尽区不能充分扩展，N-区的电场变为梯 形分布（1 分）142.5-0.5*（13.6-10）*E =106.5V（2 分）（3）基区宽度变为0.5um,贝9最大电场达到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BV，近似认为此时的BV =V =109.6VEBOC
14、BO Pt4、某NPN双极型晶体管，其基区的厚度和掺杂浓度分别为1um和1*10i6cm-3, 电子和空穴寿命均为1us，电子和空穴的扩散系数分别为D =20cm2/s和nD =10cm2/s，集电区的厚度和掺杂浓度分别为20um和1*1015cm-3oP（1）计算正向管的基区输运系数；（2）计算倒向管的发射结注入效率；（3）如果该晶体管的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，求此时的正向管的基区输运系数和倒 向管的发射结注入效率。（13分） 正向管基区输运系数=1-W2/2Dt =0.99975（公式2分，结果1B B B分）（2）倒向管以正向
15、管的集电区作为发射区Y=1- DWN/DWN=0.75 （公式2分，结果2分，要选择正确的参数进行计算）E B B B E E（3）正向管基区输运系数：B*=1-t /t =1- （W2/2L2） *（2/n）* （1-1/n） =0.9999（公式 2 分，结果 1 分）b B B B由于倒向管的基区杂质总量没有发生变化，方块电阻不变，因此倒向管的发射结注入效率不变，仍然为0.75.（3分）5、N沟M0SFET工作于非饱和区，其沟道宽度Z=10um，沟道长度L=2um，单位面积的栅氧化层电容C =8*10-5F/cm2，在V =0.1V固定不变时有：当V =1.5时I =30mA ;当V =2.5V时OXDSGSDSGSI =70mA，试求：（12 分）DS（1）反型层中的电子迁移率u和MOSFET的阈值电压V；nT（2）当V变为5V, V变为2V时，漏源电流I变为多少？此时器件的跨导是多少?DSGSDS（1）
