1、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 VT产生影响，具体地，对于短沟道器件对 VT的影响为 下降，对于窄沟道器件对 VT的影响为上升。3、在 NPN 型 BJT 中其集电极电流 IC受 VBE电压控制，其基极电流 IB受VBE 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
2、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 VB6Eg/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 VA；答案： 2、截止频率 fT；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；
3、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
4、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。
5、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
6、、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IEP，其中一部分空穴与基区的电子复合，形成基极电流的 IB的主要部分，集电极接收大部分空穴形成电流 ICP，它是 IC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 VG0 时的 C-V 特性曲线答案：
7、1）V G 较大的负偏压时，分母第二项趋于零，故 C/Co=1即 C=Co,这时 C-V 不随电压变化 AB 段 2）当 VG 的绝对值较小时，上式分母中第二项较大，不能省略，这时 C/Co 随/VG/的减小而减小BC 段 3）V G0，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 CQ/Co 随 VG 变化情况VG时，C/C o，耗尽状态时 xd 随 VG 增大而增大，x d 越大，则 Cs 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 此时耗尽层得到最大值 xdm，表面出现反fsi2型层第二项趋于零，这时 C/
8、Co1 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,VC=-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
9、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 VG = 0 时，MOSFET 为两个背靠背的 PN 结，加上 VDS 不会有电流。当加上 VG 0 且 VGVTH，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 VDS ,会有电流从 DS, 或者说电子从源向漏漂移。B.dxnqLZX101g其中， X1 为沟道宽度，n 1(x)为反型层内电子分布令 即反型层中单位面积的总电子电量0Q则 11LZgn由 sSsGCV00强反型时， SiBSQ,1所以， iG0即 THGSiBVCVC0001式中 S
10、iTHQ06、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( Si2f )的能带图。（1）标出图中各处的 Ei 及 Ef （2）从图证明 Si=2f 12 分解：（1）标出图中各处的 Ei 及 Ef12 分（2）从图证明 Si=2f对半导体表面少子公式 KTqVspoiKTqVspos ePnen2当强反型时 s=si， Tqpossi强反型发生时 ns=Pp0， 即 (1)KTqiposienP2KTqiposienP2而对于 P 型硅体内空穴浓度 (2)iEi ff比较（1） 、 （2）式子得出 fs
11、iq即 Si=2f8、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：x x npIII pI pI nI nI 0 nx px 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,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 gm和沟道电导 gD，说明提高 gm的具体措施；（每步 2 分，电导计算 4 分，措施 3分）答案：，DSnoxcnstVGSDmVLWCIg)(DSTGSnoxcnstVDSIG 提高 gm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(kTqVIBESC，试求该器件正向电流增益 ，并说明提高1)exp(kTqVIBEFSB F
