半导体器件原理期末试卷a卷答案

1、复旦大学2015 科学与2016 学年第一学期半导体器件原理期末考试试卷A 卷共 6 页2015 年 12 月课程代码：INFO130023.0103考试形式：开卷 闭卷（本试卷答卷时间为 120 分钟，必须写在试卷上，做在草稿纸上无效）专业学号 成绩 题号三四总分得分（已知：kT=0.026eV，q=1.6´10-19C，ni(Si)=1.5´1010cm-3，esi=11.9，Eg(Si)=1.12 eV，esio2=3.9，e0=8.854´10-14F/cm；源漏各区均指冶金学上的各区。）一. 填空题（每题 3 分，共 15 分）1、大注入条件下，NPN

2、晶体管出现 Webster 效应的本质是大注入引起Vbe 没有完全降落在耗尽区上,但这种电压损失只影响Ine,不影响Ipe,进而引起注入比降低_。发射极延迟te。2、当晶体管处于放大状态下，Ic 比较小时，影响特征频率的主要延迟过程是3、异质结晶体管提高工作频率的主要途径是提高基区掺杂浓度。4、衬偏效应影响阈值电压的作用机制是引起半导体一侧空间电荷层加厚。¶Ex (x, y) >> ¶Ey (x, y)是¶x¶y。5、两维缓变沟道近似条件对应的数学表第 1 页（ 装 订 线 内 不 要 答 题 ）二. 单项选择题（每题 3 分，共 45 分）

3、1.法是不能提高 npn 晶体管的发射效率：（B下面哪）A. 提高发射区的掺杂浓度B. 采用宽禁带基区材料C. 减小基区掺杂浓度D. 减少发射结复合电流2.以下能够有效增加 npn 晶体管输出电阻的途径为：（ B）A.B.C.增加发射区掺杂浓度增加基区掺杂浓度增加集电区掺杂浓度D.减少发射结结深3.（ D在大电流的情况下，导致双极型晶体管增益下降的是：）A. 发射极电流集边效应B. 发射结复合电流C. Early效应D. Webster效应4.（ A在双极型晶体管中，提高集电区掺杂浓度可以抑制：）A. 集电区穿通效应B. Early 效应C. 基区穿通效应D. Webster 效应5.以下关于

4、 NPN 晶体管反向特性描述错误的是：（ C）A. Icbo<IceoB. BVceo < BVcer < BVcesC.Veb(fl)<0D. BVcex >BVcer浮动电压6.下面哪种措施不能提高双极型晶体管的开关速度：（A）A. 减小集电区的掺杂浓度B. 在集电区引入产生-复合中心C. 减小集电区宽度D. 减小基区宽度7.衬源短接的增强型 NMOSFET，VDS>0 正常开启时，衬底表面电势最低点出现在？B（）A. 源区B. 沟道区靠近源区一侧C. 沟道区靠近漏区一侧D.漏区8.导致 MOSFET 晶体管出现非零漏电导的因素不D：（）A. 沟道长度调

5、制效应 B. 漏电场静电反馈效应C.漏感应势垒降低D.亚表面穿通效应9. MOSFET 晶体管的截止频率与下面哪种参数无关：（A）A. 氧化层电容B. 沟道长度C. 载流子迁移率D. 电源电压10在 MOSFET 的模型中，下列关于沟道电势 V(y)说法正确。（ A）A. 仅在体电荷 QB 的计算中忽略了 V(y)B. 仅在氧化层压降 Vox 的计算中忽略了 V(y)C. 在体电荷QB 和氧化层压降Vox 的计算中均忽略了V(y)D. 在体电荷QB 和氧化层压降Vox的计算中均考虑了 V(y)第 2 页11. 减小 NMOSFET 晶体管的亚阈摆幅措施为：（ D）A. 增加氧化层厚度 B. 提

6、高沟道区掺杂浓度C.降低沟道长度 D.增加衬-源反偏电压12. 以下哪个因素导致NMOSFET 阈值电压升高？（B）A. 源漏电荷B. 窄沟道效应 C. 漏感应势垒降低效应D. 载流子速度饱和效应13. 对于沟道长度足够短的 MOSFET，其饱和区漏源电流：（ D）A. (V GS -VT)2B. W /LC. LD. Cox14. 已知 Al2O3 的相对介电常数为 10，若使用它作为替代 1.2 纳米 SiO2（er=3.9）的高 K 栅介质层材料，所需 Al2O3 的厚度为：（B）A. 0.5 nmB. 3.1 nmC. 0.9 nmD. 1.7 nm15. 对于恒定电场规则下的等比例缩

7、小原理，假设 VT 可以等比例缩小 K 倍，pn 结内建势可以（C）忽略，下述描述错误的是：A. 源漏 pn 结耗尽区宽度W ' = WkB. 沟道电阻 R' = RDDD. 总电容= CkC 'g '= g / KC. 饱和区mmGG三. 计算题（每题 5 分，共 10 分）1. 设想一个理想的 pnp 双极型晶体管, Dpb=10 cm2/s， tpb=10-7 s。请设计基区的宽度，使基区输运系数b*=0.9967.ö2æ W12× ç b ÷解： b * » 1 -= 0.9967 （2 分）&

8、#231; L÷èpb øWb Lpb= 0.08124 （1 分）LpbDpbt pb= 0.001cm （1 分）Wb = 0.8124um （1 分）2. 考虑一长沟增强型 NMOSFET，W=15um，L=2um，Cox=6.9E-8 F/cm2。已知在线性区 Vds=0.1V固定不变时，Vgs=1.5V 时，Ids=35uA；Vgs=2.5V 时，Ids=75uA。请确定该器件的反型载流子迁移率。第 3 页（ 装 订 线 内 不 要 答 题 ）= mCoxW (V- V )V解： I（2 分）dsgstdsL= mCoxW (1.5 - V )´

9、; 0.1 = 35uAìIïíds1tL（2 分）mC WïI(2.5 - V )´ 0.1 = 75uA= oxLïîdstm=772.9 cm2/V.s （1 分）Vt=0.625 V四.计算题（共 30 分）1. 一个 NPN 硅晶体管，T=300K，基区和集电区的掺杂浓度分别为 Nb=5E16cm-3 和 Nc=2E15cm-3。已知，Wb0=0.7 um，Dnb=25 cm2/s。考虑共射极使用时，固定 Vbe=0.6V，且假设 Wb0<<Lnb，若 Vcb在 2V 到 10V 区间变动，计算 Jc

10、的对应变化，并估算厄立电压。 （10 分）*(不考虑发射结的耗尽区)npb0æ qVbe ö解：因为 W <<L ，所以 J » qDexpçè÷ø（1 分）b0nbcnbWkTb(1.5E10)2n2= i = 4.5E3cm-3其中 npb 0N5E16bæ Nb Nc ö集电结零偏内建势垒高度为 qVD = kT lnçèVcb=2V 时，集电结在基区的耗尽层宽度为÷ = 0.70eV (1 分)øn 2i2e re 0 (Nb + Nc )(VD

11、- V ) » 0.052um （2 分）NcX=DN + NqN Nbcbc此时的有效基区宽度为Wb1=Wb0-0.052=0.65um （1 分）同理，Vcb=10V 时，Wb2= Wb0-0.10=0.60um （1 分）所以第 4 页npb0æ qVöJ (V= 2V ) » qDexpçèbe÷ø= 2.91A / cm2JcccbnbWkTb1（2npb0æ qVöJ (V= 10V ) » qDexpç÷ø= 3.16 A / cm2becc

12、bnbWkTèb 2e所以电压 VA 约为VA10.6V2.6V2.91= 3.16 - 2.91VA + 2.610.6 - 2.6VA=90.52V （2 分）*(考虑发射结的耗尽区)npb0æ qVbe ö解：因为 W <<L ，所以 J » qDexpçè÷ø（1 分）b0nbcnbWkTb(1.5E10)2n2= i = 4.5E3cm-3其中 npb0N5E16bEg其中发射结零偏内建势垒高度为 qV=+ kT lnæ5E16ö = 1.00eVç 1.5E10

13、 ÷D2èø发射结在基区的耗尽层宽度为2e re 0 (Nb + Ne )(VD - V ) »2e re 0 (VD-V ) = 0.1umX=（1 分）DqN NqNbebæ Nb Nc ö集电结零偏内建势垒高度为 qVD = kT lnç÷ = 0.70eVn 2èiøVcb=2V 时，集电结在基区的耗尽层宽度为2e re 0 (Nb + Nc )(VD- V ) » 0.052um （2 分）NcX=DN + NqN Nbcbc此时的有效基区宽度为Wb1=Wb0-0.1-0.0

14、52=0.55um （1 分）同理，Vcb=10V 时，Wb2= Wb0-0.1-0.10=0.50um （1 分）所以第 5 页（ 装 订 线 内 不 要 答 题 ）分）Vcnpb0æ qVöJ (V= 2V ) » qDexpçèbe÷ø= 3.44 A / cm2JcccbnbWkTb1（2npb0æ qVöJ (V= 10V ) » qDexpçè÷ø= 3.79 A / cm2beccbnbWkTb 2e所以电压 VA 约为VA10.6V2.6V

15、3.44= 3.79 - 3.44VA + 2.610.6 - 2.6VA=76V （2 分）2. 某技术代 NMOSFET 器件的参数和工作条件如下：Lg = 60 nm，tox = 1.5 nm，NA = 2´1018 cm-3，mn = 250 cm2/V×s（低场），VDD = 1.4 V，栅极为 n+多晶硅。面密度 Qi/q（：cm-2）。（10 分，提示：需1）计算 VGS = VDD 时源端附近沟道区表面反型要先计算 Vt）2）若将 VGS = VDS = VDD 时定义为器件的“ON”状态，用长沟道模型估算该器件“ON”状态下在源端附近的沟道横向电场。已知饱

16、和漂移速度为 5´106 cm/s，试饱和模型，并计算此时的 ION/W。（10 分）解：1 Eg = 1.12 eV该器件是否需要用速度2 ´1018= kTN Afln= 0.026 ´= 0.026 ´18.71 = 0.486 (V) （1 分）ln1.5 ´1010Fqniæ Egöæ 1.12ö= -ç+ f ÷ = -+ 0.486÷ = -1.046 (V) （1 分）VFBçF2qè2øèøe3.9 

17、0; 8.85 ´10-141.5 ´10-7= ox = 2.3 ´10(F/cm ) （1 分）-62Coxtoxö1/ 2æ 2 ´11.9 ´ 8.85 ´10-14 ´ 2 ´ 0.486 ö1/ 2æ 2e × 2f= çsF ÷= ç÷= 2.53 ´10-6 (cm)d（ 1ç÷ç÷max1.6 ´10-19 ´ 2 ´1018qN

18、èøèøA分）+ QB+ qN Ad maxV = V+ 2f = V+ 2fTFBFFBFCCoxox+ 1.6 ´10-19 ´ 2 ´1018 ´ 2.53 ´10-6= -1.046+ 2 ´ 0.4862.30 ´10-6= -1.046 + 0.352 + 0.972 = 0.278 » 0.28 (V) （2 分）Cox (VGS-VT )2.3 ´10-6 ´ (1.4 - 0.28) =Qi q=1.6 ´10(cm) （4 分）13-21.6 ´10-19q第 6 页分）Vc= WQi ( y)mn Ey ( y)I DS2.在饱和区， I= WQ ( y)m E ( y) = 1 m C W (V)2-V（3 分）DSinyn oxGST2L得 Q ( y)E ( y) = Cox (V)2-ViyGST2L又因为 Qi (0) = Cox (VGS -VT )-VT1.4 - 0.28所以 E (0) = VGS= 9.3