微电子器件原理习题讲解2

1、微电子器件习题微电子器件习题MOSFETMOSFET10.53 10.53 在一个特殊的双极晶体管，基区在一个特殊的双极晶体管，基区输运时间占总时间的输运时间占总时间的20%20%，基区宽度为，基区宽度为0.5um,0.5um,基区扩散系数为基区扩散系数为D DB B=20cm=20cm2 2/s,/s,试确试确定截止频率。定截止频率。基区输基区输运时间运时间总输运总输运时间时间10.54 假设一个双极晶体管的基区输运时间假设一个双极晶体管的基区输运时间是是100ps，载流子以，载流子以107cm/s的速度穿过的速度穿过1.2um的的BC结空间电荷区。结空间电荷区。BE结充电时间为结充电时间为

2、25ps，集电区电容和电阻分别为，集电区电容和电阻分别为0.10pF和和10欧。试确定截止频率。欧。试确定截止频率。b基区输基区输运时间运时间eBE结结充电时间充电时间d集电结集电结耗尽区渡耗尽区渡越时间越时间C集电集电结充电结充电时间时间很多同学分母为很多同学分母为2Vs（参参考半导体物理与器件考半导体物理与器件P299-10.95式式）影响晶体管频率的主要影响晶体管频率的主要是基区输运时间是基区输运时间13.313.3一个一个P P沟道的硅沟道的硅JFETJFET在在300K300K时有如下掺杂时有如下掺杂浓度浓度N Nd d=5=510101818cmcm-3-3，N Na a=3=31

3、0101616cmcm-3-3 。沟道。沟道厚度为厚度为a=0.5uma=0.5um。（a a）估算内建夹断电压）估算内建夹断电压V Vp0和夹断电压和夹断电压V Vp。（b b）计算）计算V VGSGS=1V=1V，V VDSDS等于以下值时最小未耗等于以下值时最小未耗尽沟道厚度尽沟道厚度a-ha-h：（：（i i）V VDSDS=0,=0,（iiii）V VDSDS=-=-2.5V2.5V，（，（iiiiii）V VDSDS=-5V=-5V2012.5.18第二次习题在阈值点，在阈值点，h=a，n+p结的总结的总电势称为内建夹断电压电势称为内建夹断电压Vp0202apsea NV0pbip

4、VVV夹断电压（阈电压）夹断电压（阈电压）Vp：沟：沟道夹断时的栅源电压，对于道夹断时的栅源电压，对于p沟耗尽型器件来说有：沟耗尽型器件来说有：内建电内建电势差势差2lnadbitN NVVni0.0259tV DVGSn+ap沟道沟道hS1/22()sbiGSaVVhqNKT/q=2012.5.18第二次习题2012.5.18第二次习题靠近漏端靠近漏端全耗尽全耗尽13.513.5分析一个分析一个N N沟的硅沟的硅JFETJFET，它具有以下参数，它具有以下参数：N Na a=3=310101818cmcm-3-3，N Nd d=8=810101616cmcm-3-3 ，a=0.5ma=0.5

5、m（沟道厚度）（沟道厚度）（a a）计算内建夹断电压。）计算内建夹断电压。（b b）计算未耗尽沟道宽度为）计算未耗尽沟道宽度为0.20um0.20um时所需的时所需的栅极电压。栅极电压。2012.5.18第二次习题DVGSp+an沟道沟道hS在阈值点，在阈值点，h=a，p+n结的总结的总电势称为内建夹断电压电势称为内建夹断电压Vp0202dpsea NV1/22()sbiGSdVVhqN2012.5.18第二次习题2012.5.18第二次习题 13.7 13.7 分析一个分析一个P P沟道的沟道的GaAs JFETGaAs JFET，当，当T=300KT=300K时它有如下参数：时它有如下参数

6、：N Nd d=5=510101818cmcm-3-3 ， N Na a=3=310101616cmcm-3-3 （ N Na a=8=810101616cmcm-3-3 ， N Nd d=3=310101818cmcm-3-3 ），），a=0.3ma=0.3m。(a)(a)计算内建夹断电压和夹断电压；计算内建夹断电压和夹断电压；(b)(b)计算计算V VDSDS=0V,V=0V,VGSGS等于以下值时的未耗尽沟等于以下值时的未耗尽沟道厚度道厚度:(1)V:(1)VGSGS=0(2)V=0(2)VGSGS=1V=1V2012.5.18第二次习题经过上面两题的计算我们知道如下公式：经过上面两题的

7、计算我们知道如下公式：202dpsea NV0pbipVVV1/22()sbiDSGSdVVVhqNN沟沟JFETP沟沟JFET0ppbiVVV202apsea NV1/22()sbiDSGSaVVVhqN靠近漏端耗靠近漏端耗尽层宽度尽层宽度夹断电压夹断电压（阈电压）（阈电压）内建夹内建夹断电压断电压2012.5.18第二次习题11.7GaAs的介电常数是13.1Si的介电常数是11.71 1、画出、画出N N沟增强、耗尽，沟增强、耗尽，P P沟增强、耗尽沟增强、耗尽MOSFETMOSFET的输出特性和转移特性曲线的输出特性和转移特性曲线（模拟电子技术基础P49）2 2、在下列三种情况中，器件

8、尺寸缩小后的物、在下列三种情况中，器件尺寸缩小后的物理规律是否相同，为什么？理规律是否相同，为什么？、缩小前为长沟、缩小前为长沟MOSMOS器件，缩小后仍为长沟器件，缩小后仍为长沟MOSMOS器件；器件；、缩小前为长沟、缩小前为长沟MOSMOS器件，缩小后为短沟器件，缩小后为短沟MOSMOS器件；器件；、缩小前为短沟、缩小前为短沟MOSMOS器件，缩小后为短沟器件，缩小后为短沟MOSMOS器件；器件；答案：、相同，因为所有的物理规律都是基于沟道中的电场分布和电荷分布得到的，长沟器件缩小尺寸后仍为长沟器件，对长沟器件而言，尺寸变化并不影响沟道内电场、电荷分布，渐变沟道近似、薄层电荷近似仍然适用，

9、可采用漏电流模型，尺寸变化只会使相关物理参数按比例变化。、不同，因为长沟器件缩小为短沟器件后，沟道内的电场分布和电荷分布与长沟时有很大差异，会出现短沟效应，比如速度饱和、速度过冲等，这时源、漏电荷对于沟道内电场有极大影响，渐变沟道近似不在适用，而应采用电荷共享模型和速度饱和模型。一般而言，短沟器件电流比长沟小一些，因此前后物理规律不相同。、不同，因为短沟器件缩小尺寸为短沟器件后，虽然前后物理规律相似，但也有较大差异。短沟器件（L0.5m）必须考虑短沟效应，当器件尺寸变得更小时，这种效应越剧烈，甚至会出现如量子效应等新效应。由于速度过冲，对深亚微米器件分析时应采用泊松方程、电流连续方程和瞬态波尔

10、兹曼方程解析，尺寸变化前后不成一定比列关系，物理规律有较大差异。 3、比较几种功率MOSFET的优缺点，（横向双扩散MOSFET-LDMOS、垂直功率MOSFET-VMOS、垂直漏v-MOSFET-VVMOS、垂直双扩散MOSFET-VDMOS、绝缘栅晶体管-IGBT）、横向双扩散MOSFETLDMOS 优点：输入阻抗高，输入电路小，驱动功率小；它是多子器件，无少子存储效应，开关速度快，工作频率高；热稳定性好；电流通道上无PN结，一般不出现二次击穿现象，安全工作区大。 缺点：管芯所占面积大，不适宜制作分立的电力集成器件。、垂直功率MOSFETVVMOS优点：占面积小，克服了LDMOS利用率低的

11、缺点；电流垂直流向，减少了表面态带来的影响；可以使用外延生长。缺点：刻蚀易沾污；由于尖端电场大，容易击穿；不利于集成；沟道电阻大，刻蚀工艺难度大，难以控制。、垂直漏U-MOSFETUVMOS优点：克服了V-MOS的尖端易击穿的缺点；电流在体内流动容易控制；电流容量大，可以使用外延生长。缺点：占面积大，不利于集成；沟道电阻大。、垂直双扩散MOSFETVDMOS优点：比LDMOS占面积小，频率特性好；沟道长度L与光刻精度无关，可使L减小；采用平面化结构，耐压水平、可靠性提高；电流在沟道内表面流动，减少了表面效应；击穿电压较大；可采用外延生长，减少刻蚀影响。缺点：沟道电阻大；不利于集成。、绝缘栅晶体

12、管IGBT优点：把mos栅极控制和双极型晶体管的大电流集合在一起，具有较小的控制功率；高的开关速度；大的电流处理能力和低的饱和压降；通态压降低，电流大，击穿电压高。缺点：IGBT内部寄生了四层PNPN晶闸管，易使器件产生擎住效应，减少栅的控制能力；由于N-漂移区存在非平衡载流子的注入，使得关断时有一个较长的拖尾电流，影响了器件的开关速度。1 1、考虑一个理想的、考虑一个理想的n n沟沟MOSFETMOSFET，参数为，参数为L=1.25mL=1.25m，n n=650cm2/vs=650cm2/vs，Cox=6.9Cox=6.91010- -8 8F/cm2F/cm2，Vt=0.05vVt=0

13、.05v，设计一沟道宽度使之满，设计一沟道宽度使之满足足Vgs=5vVgs=5v时，时，IdId（satsat）=4mA=4mA。2 2、考虑一个考虑一个n n沟沟MOSFETMOSFET，W=15mW=15m，L=2mL=2m，Cox=6.9Cox=6.91010-8-8F/cm2F/cm2，假设非饱和区漏电流，假设非饱和区漏电流在在Vds=0.10vVds=0.10v固定不变时，固定不变时，Vgs=1.5vVgs=1.5v时，时，Id=35AId=35A；Vgs=2.5vVgs=2.5v时，时，Id=75AId=75A（1 1）确）确定反型层载流子的迁移率（定反型层载流子的迁移率（2 2）

14、求阈值电压）求阈值电压3 3、考虑、考虑T=300KT=300K时的一个时的一个n n沟沟MOSFETMOSFET，设衬底掺，设衬底掺杂浓度为杂浓度为Na=3Na=310101616cmcm-3-3，二氧化层厚度为，二氧化层厚度为toxtox=50nm=50nm，VsbVsb=1v=1v，计算由于衬底偏置引起，计算由于衬底偏置引起的阈值电压改变量。的阈值电压改变量。4 4、假设、假设n n沟沟MOSFETMOSFET器件的电子迁移率器件的电子迁移率nn=400cm2/vs=400cm2/vs，沟道长度，沟道长度L=4mL=4m，设，设Vt=1vVt=1v，Vgs=3vVgs=3v，计算迁移率为

15、常数时理想的，计算迁移率为常数时理想的MOSFETMOSFET的截止频率。的截止频率。1 1、Two discrete MOSFET are interconnected in the Two discrete MOSFET are interconnected in the manner shown here to create an inverting manner shown here to create an inverting amplifier.Theamplifier.The two devices are identical in every two devices are i

16、dentical in every respect in the lateral dimension W and L.respect in the lateral dimension W and L.a.Drawa.Draw an out-plane diagram and apply the principles an out-plane diagram and apply the principles of of loadlineloadline-diagram construction to it so that the -diagram construction to it so th

17、at the interaction of the device can be eraction of the device can be visualized.b.Demonstrateb.Demonstrate that the given circuit constitutes a that the given circuit constitutes a linear amplifier by deriving an equation for linear amplifier by deriving an equation for itesites small

18、-signal voltage small-signal voltage gain,Avgain,Av= =dVout/dVindVout/dVin. .c.Explainc.Explain graphically the linearity of this amplifier graphically the linearity of this amplifier circuit by means of the loading diagram constructed circuit by means of the loading diagram constructed above.above.2 2、A certain E-mode MOFET has a gate capacitance of A certain E-mode MOFET has a gate capacitance of 0.02pF, VT=1V, 0.02pF, VT=1V, n=700cm3/Vs, n=700cm3/Vs, toxtox=0.05=0.05 m, and m, and L=3L=3 m