第二次习题课2013523下午两点基A404习题课

微电子器件习题MOSFET刘杰2013.5.2310.53在一个特殊的双极晶体管，基区输运时间占总时间的20%，基区宽度为0.5um,基区扩散系数为DB=20cm2/s,试确定截止频率。基区输运时间总输运时间10.54假设一个双极晶体管的基区输运时间是100ps，载流子以107cm/s的速度穿过1.2um的BC结空间电荷区。BE结充电时间为25ps，集电区电容和电阻分别为0.10pF和10欧。试确定截止频率。τb基区输运时间τeBE结充电时间τd集电结耗尽区渡越时间τC集电结充电时间很多同学分母为2Vs（参考半导体物理与器件P299-10.95式）影响晶体管频率的主要是基区输运时间13.3一个P沟道的硅JFET在300K时有如下掺杂浓度Nd=5×1018cm-3，Na=3×1016cm-3

。沟道厚度为a=0.5um。（a）估算内建夹断电压Vp0和夹断电压Vp。（b）计算VGS=1V，VDS等于以下值时最小未耗尽沟道厚度a-h：（i）VDS=0,（ii）VDS=-2.5V，（iii）VDS=-5V2012.5.18第二次习题在阈值点，h=a，n+p结的总电势称为内建夹断电压Vp0夹断电压（阈电压）Vp：沟道夹断时的栅源电压，对于p沟耗尽型器件来说有：内建电势差DVGSn+ap沟道hSKT/q=2012.5.18第二次习题2012.5.18第二次习题靠近漏端全耗尽13.5分析一个N沟的硅JFET，它具有以下参数：Na=3×1018cm-3，Nd=8×1016cm-3

，a=0.5μm（沟道厚度）（a）计算内建夹断电压。（b）计算未耗尽沟道宽度为0.20um时所需的栅极电压。2012.5.18第二次习题DVGSp+an沟道hS在阈值点，h=a，p+n结的总电势称为内建夹断电压Vp02012.5.18第二次习题2012.5.18第二次习题13.7分析一个P沟道的GaAsJFET，当T=300K时它有如下参数：Nd=5×1018cm-3

，Na=3×1016cm-3

（Na=8×1016cm-3

，Nd=3×1018cm-3

），a=0.3μm。 (a)计算内建夹断电压和夹断电压； (b)计算VDS=0V,VGS等于以下值时的未耗尽沟道厚度:(1)VGS=0(2)VGS=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：N沟JFETP沟JFET靠近漏端耗尽层宽度夹断电压（阈电压）内建夹断电压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、画出N沟增强、耗尽，P沟增强、耗尽MOSFET的输出特性和转移特性曲线（模拟电子技术基础P49）2、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？①、缩小前为长沟MOS器件，缩小后仍为长沟MOS器件；②、缩小前为长沟MOS器件，缩小后为短沟MOS器件；③、缩小前为短沟MOS器件，缩小后为短沟MOS器件；答案：①、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，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。②、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。③、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（L<0.5μm）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）①、横向双扩散MOSFET—LDMOS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。②、垂直功率MOSFET——VVMOS优点：占面积小，克服了LDMOS利用率低的缺点；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。③、垂直漏U-MOSFET——UVMOS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。④、垂直双扩散MOSFET——VDMOS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。⑤、绝缘栅晶体管——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、考虑一个理想的n沟MOSFET，参数为L=1.25μm，μn=650cm2/vs，Cox=6.9×10-8F/cm2，Vt=0.05v，设计一沟道宽度使之满足Vgs=5v时，Id（sat）=4mA。2、考虑一个n沟MOSFET，W=15μm，L=2μm，Cox=6.9×10-8F/cm2，假设非饱和区漏电流在Vds=0.10v固定不变时，Vgs=1.5v时，Id=35μA；Vgs=2.5v时，Id=75μA（1）确定反型层载流子的迁移率（2）求阈值电压3、考虑T=300K时的一个n沟MOSFET，设衬底掺杂浓度为Na=3×1016cm-3，二氧化层厚度为tox=50nm，Vsb=1v，计算由于衬底偏置引起的阈值电压改变量。4、假设n沟MOSFET器件的电子迁移率μn=400cm2/vs，沟道长度L=4μm，设Vt=1v，Vgs=3v，计算迁移率为常数时理想的MOSFET的截止频率。1、TwodiscreteMOSFETareinterconnectedinthemannershownheretocreateaninvertingamplifier.ThetwodevicesareidenticalineveryrespectinthelateraldimensionWandL.a.Drawanout-planediagramandapplytheprinciplesofloadline-diagramconstructiontoitsothattheinteractionofthedevicecanbevisualized.b.Demonstratethatthegivencircuitconstitutesalinearamplifierbyderivinganequationforitessmall-signalvoltagegain,Av=dVout/dVin.c.Explaingraphicallythelinearityofthisamplifiercircuitbymeansoftheloadingdiagramconstructedabove.2、AcertainE-modeMOFEThasagatecapacitanceof0.02pF,VT=1V,n=700cm3/Vs,tox=0.05m,andL=3m.a.CalculateitsgatewithWinm.b.CalculateitstransconductancegmatVGS=3Vinthesaturationregime.3、TheMOSFETofProblem1isplacedinthecircuitshown.a.FindID.b.FindVDS.某N沟增强型MOSFET线性区漏电流由ID=K[2(VGS-VT)VDS-VDS2]描述，它的饱和区漏电流为ID=K(VGS-VT)2,这里K=1mA/V2,Vt=1V。把MOSFET器件放在下图的电路中：4、某N沟增强型MOSFET线性区漏电流由Id=K[2(Vgs