微電子器件期末試題

一、填空題1.PN結(jié)中P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度分別為和,本征載流子濃度為，那么PN結(jié)內(nèi)建電勢的表達式。2.對于單邊突變結(jié)結(jié)，耗盡區(qū)主要分布在N區(qū)，該區(qū)濃度越低，那么耗盡區(qū)寬度值越大，內(nèi)建電場的最大值越小；隨著正向偏壓的增加，耗盡區(qū)寬度值降低，耗盡區(qū)內(nèi)的電場降低，擴散電流提高；為了提高結(jié)二極管的雪崩擊穿電壓，應(yīng)降低N區(qū)的濃度，這將提高反向飽和電流。3.在設(shè)計和制造晶體管時，為提高晶體管的電流放大系數(shù)，應(yīng)當增加發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度的比值，降低基區(qū)寬度。解析：對于硅PN結(jié)，當V<0.3V時，電流密度J滿足關(guān)系式，此時以勢壘區(qū)復(fù)合電流為主；當V>0.45V時，電流密度J滿足關(guān)系式，此時以正向擴散電流為主；在室溫下，反向電流以勢壘區(qū)產(chǎn)生電流為主，該電流與存在關(guān)系。解析：當溫度較低時，總的反射電流中以勢壘區(qū)產(chǎn)生電流為主；當溫度較高時，那么以反射擴散電流為主。對于硅PN結(jié)，在室溫下以勢壘區(qū)產(chǎn)生電流為主，只有在很高的溫度下才以反向擴散電流為主。反向擴散電流含因子，勢壘區(qū)產(chǎn)生電流那么含因子。勢壘區(qū)電容反映勢壘區(qū)邊緣的電離雜質(zhì)電荷隨外加電壓的變化；擴散電容反映的是中性區(qū)的非平衡載流子電荷隨外加電壓的變化；變?nèi)荻O管是使用的勢壘區(qū)電容。PN結(jié)電擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿兩種機制，其中雪崩擊穿機制決定的擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。在小電流的情況，雙極結(jié)型晶體管的會降低，這是此時發(fā)射極電流中復(fù)合的比例增大；大電流時會降低，這是由于大注入的基區(qū)擴展效應(yīng)。PN結(jié)反射飽和電流隨結(jié)溫升高而升高。MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下，飽和輸出電流隨半導(dǎo)體溫度增加升高而降低，這主要是由于遷移率下降造成的。解析：對于同一種半導(dǎo)體材料和相同的摻雜濃度，溫度越高，那么越大在，反向飽和電流就越大在，所以J具有正溫度系數(shù)。由于柵氧化層中通常帶正電，這使得N溝道MOSFET的閾值電壓絕對值變大，可動鈉離子從金屬/絕緣層界面移向絕緣層/半導(dǎo)體界面，閾值電壓絕對值變小。短溝道MOSFET漏極電流飽和是由于載流子速度飽和，隨著溝道長度縮短，閾值電壓降低。長溝道MOSFET漏極電流飽和是由于溝道夾斷。為了提高雙極結(jié)型晶體管的基區(qū)輸運系數(shù)，應(yīng)降低基區(qū)寬度，降低基區(qū)摻雜濃度；當基區(qū)寬度減半時，基區(qū)渡越時間變?yōu)樵瓉淼?，這將降低基區(qū)穿通電壓。雙極結(jié)型晶體管工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，此時用于模擬電路；工作在截止區(qū)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。PN結(jié)的少子存儲效應(yīng)產(chǎn)生PN結(jié)的反向恢復(fù)時間，存儲電荷消失的兩個途徑是：反向電流的抽取和少子的復(fù)合。均勻基區(qū)晶體管，少子在基區(qū)中主要作擴散運動，又稱為均勻基區(qū)晶體管。緩變基區(qū)晶體管，少子在基區(qū)主要作漂移運動，又稱為漂移晶體管。由于內(nèi)建電場的存在使漂移晶體管少子的基區(qū)渡越時間低于擴散晶體管。對PN結(jié)外加反向電壓時，勢壘區(qū)寬度增大，勢壘區(qū)內(nèi)的電場增強。PN結(jié)在較小偏壓下的反向電流由空穴擴散電流、電子擴散電流和勢壘區(qū)產(chǎn)生電流三局部所組成。PN結(jié)的擊穿有三種機理：它們分別是雪崩倍增、隧道效應(yīng)和熱擊穿。在同一個N型襯底上形成兩個PN結(jié)，結(jié)深一樣，但P區(qū)摻雜濃度不一樣，問：此時，高P區(qū)濃度PN結(jié)的擊穿電壓應(yīng)小于低P區(qū)濃度PN結(jié)的擊穿電壓。對P溝道MOSFET，柵氧化層中的固定電荷將降低閾值電壓。在反偏的結(jié)中，電場峰值出現(xiàn)在冶金結(jié)處，且N摻雜濃度越低，那么耗盡區(qū)寬度越寬，耐壓越高。向區(qū)擴展的耗盡區(qū)寬度比N區(qū)的擴展的耗盡區(qū)寬度小，N區(qū)耗盡區(qū)電荷總數(shù)與P區(qū)耗盡區(qū)電荷總數(shù)相等。對于硅材料，結(jié)的主要擊穿機理是隧道擊穿，結(jié)的主要擊穿機理是雪崩擊穿。其中，雪崩擊穿是由于碰撞電離現(xiàn)象所造成的，雪崩擊穿的判定條件是滿足表達式或碰撞電壓積分為。當結(jié)構(gòu)的區(qū)全耗盡時，該結(jié)構(gòu)的電流電壓特性呈現(xiàn)穿通擊穿的狀態(tài)；當結(jié)構(gòu)的區(qū)全耗盡時，該結(jié)構(gòu)的電流電壓特性呈現(xiàn)反向阻斷，正向?qū)顟B(tài)。晶體管的共基電流增益與基區(qū)輸運系數(shù)和發(fā)射結(jié)發(fā)射效率有關(guān)。其中，基區(qū)輸運系數(shù)被定義為集電結(jié)處電子電流與發(fā)射結(jié)處電子電流之比。影響它的主要結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)為基區(qū)寬度。發(fā)射結(jié)發(fā)射效率被定義為發(fā)射結(jié)處電子電流和發(fā)射結(jié)處總電流之比，影響它的結(jié)構(gòu)和材料主要參數(shù)為發(fā)射極與基極的濃度比。隨著電極電流逐漸增加，在小注入和中等注入水平情況，晶體管電流增益會增大，進入大注入狀態(tài)，會出現(xiàn)Webster效應(yīng)。在極低電流水平下，電流增益是較小的，要提高該狀態(tài)下的電流增益，應(yīng)降低體內(nèi)陷阱。降低基區(qū)電阻的工藝和幅員措施有增大基區(qū)摻雜和結(jié)深，采用無源基區(qū)重摻雜、采用細線條，并增加基極條數(shù)目。在高頻晶體管中，當較大時，提高的主要措施是減小和減小集電結(jié)耗盡區(qū)，但是上述做法會帶來擊穿電壓的下降，因此需要折中。在高頻晶體管中，工作頻率每增加一倍，減小一半，功率增益降為，可定義功率增益和頻率平方的乘積為高頻優(yōu)質(zhì)，記為M。對于MOSFET當時，MOSFET電流仍然存在，這稱為亞閾區(qū)導(dǎo)電。此時，溝道外表處于弱反型狀態(tài)。在計算亞閾值電流時通常只計入擴散電流，而忽略漂移電流。對于MOSFET，改變閾值電壓是主要通過改變溝道摻雜濃度和改變柵氧化層厚度來實現(xiàn)的。而柵氧化層中的固定主要呈正電荷特性，柵氧化層中電荷對閾值電壓的影響是使閾值電壓減小。此外，襯底偏置效應(yīng)對閾值電壓也有影響，柵氧化層越厚，溝道摻雜濃度越高，襯底偏置效應(yīng)越嚴重。當發(fā)射區(qū)摻雜濃度太高時，發(fā)射效率變小，這是由于禁帶變窄和俄歇復(fù)合。在PN結(jié)開關(guān)管中，在外加電壓從正向變?yōu)榉瓷浜蟮囊欢螘r間內(nèi)，會出現(xiàn)一個較大的反射電流。引起這個原因是存儲在中性區(qū)中的非平衡少子電荷。這個電荷的消失途徑有兩條，即反向電荷的抽取和載流子復(fù)合。在高頻下，晶體管基區(qū)渡越時間對基區(qū)輸運系數(shù)有三個作用，它們是：復(fù)合損失使小于1、時間延遲引起相位延遲和渡越時間的分散使減小。當基區(qū)寬度加倍時，基區(qū)渡越時間增大到原來的4倍。小電流時會下降，這是由于小電流時，發(fā)射極電流中復(fù)合電流的比例增大。大電流時會下降，這是由于大注入效應(yīng)和基區(qū)擴展效應(yīng)。從器件本身的角度，提高開關(guān)管的開關(guān)速度的主要措施是降低少子壽命和減薄輕摻雜區(qū)濃度。雪崩擊穿和齊納擊穿的條件分別為：和足夠小。要降低基極電阻，應(yīng)當提高基區(qū)摻雜濃度，增大基區(qū)寬度。在分析PN電流電壓特性時，肖克萊方程做了如下假設(shè)：突變結(jié)近似、波爾茲曼統(tǒng)計近似、小注入假設(shè)，在耗盡層中不存在產(chǎn)生-復(fù)合電流，此處也未計入中性區(qū)的串聯(lián)電阻。如果考慮耗盡區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合過程，那么總的反向電流為擴散電流和耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流之和。二、簡答題說明PN結(jié)二極管為什么具有整流特性？肖特基勢壘二極管和PN結(jié)二極管有均具有整流特性，比擬兩種器件的異同。答：Pn結(jié)二極管正向電流主要由多子電流，電流隨外加電壓迅速增大；反射電流主要由少子形成電流，電流隨著外加電壓變化很小，且電流很小，故具有整流特性。肖特基勢壘二極管是多子〔單極〕器件，開關(guān)速度快，反向泄漏電流大；PN結(jié)二極管存在少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度慢，但反向泄漏電流小。給PN結(jié)外加集團電壓V，分別寫出P區(qū)和N區(qū)的耗盡區(qū)邊緣處少子濃度和與V的關(guān)系式。基于此，比擬工作在放大區(qū)的PNP晶體管的發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)邊緣的少子濃度和與平衡少子濃度和的大小。答：、。放大區(qū)的PNP晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，故有、對于長溝道MOSFET，當溝道長度縮短為原來的一半，而其它尺寸，摻雜濃度、偏置條件等都保持不變時，與原來相比，說明以下參數(shù)發(fā)生什么變化:閾值電壓、飽和漏極電流,跨導(dǎo)和溝道電導(dǎo)。

答：閾值電壓保持不變，飽和漏極電流降低50%，溝道電導(dǎo)增加一倍，跨導(dǎo)降低50%。什么是厄爾利效應(yīng)，簡述減小厄爾利效應(yīng)的方法，并嘗試說明這些方法對其他電參數(shù)的影響。答：當增加時，集電結(jié)上的反向偏壓增加，集電區(qū)勢壘區(qū)寬度變寬。勢壘區(qū)的右側(cè)向中性集電區(qū)擴展，左側(cè)向中性基區(qū)擴展。這使得中性基區(qū)的寬度減小?；鶇^(qū)寬度的減小使基區(qū)少子濃度梯度增加，必然導(dǎo)致電流放大系數(shù)和集電極電流的增大。這就是基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)〔也稱為厄爾利效應(yīng)〕。為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度，減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度，即增大基區(qū)摻雜濃度。但增加和都將降低基區(qū)輸運系數(shù)，進而降低電流放大系數(shù)。給出雙極結(jié)型晶體管的特征頻率、最高振蕩頻率以及的定義。說明提高雙極型晶體管的高頻優(yōu)值的主要措施。答：特征頻率：時對應(yīng)的頻率；最高振蕩頻率：時對應(yīng)的頻率；：基極開路，集電結(jié)反偏，趨于無窮大時的。提高雙極型晶體管的高頻優(yōu)值的主要措施：提高特征頻率，降低基極電阻以及集電結(jié)勢壘電容。在實際工作中，一般是怎樣測量雙極型晶體管的特征頻率的？答：在實際測量晶體管的特征頻率時，一般并不需要