微电子器件期末试题

一、填空题

1.PN结中P区和N区的掺杂浓度分别为NA和ND,本征载流子浓度为ni，

kTNANDln则PN结内建电势Vbi的表达式Vbi?。 2qni2.对于单边突变结P?N结，耗尽区主要分布在N区，该区浓度越低，则耗尽区宽度值越大，内建电场的最大值越小；随着正向偏压的增加，耗尽区宽度值降低，耗尽区内的电场降低，扩散电流提高；为了提高

P?N结二极管的雪崩击穿电压，应降低N区的浓度，这将提高反向饱

和电流IS。

解析：?|E|xn?smaxqNDxp?xd??s|Emax|qNA?s|Emax|?s|Emax|qNDxn?qNA??s?111?)|Emax|?s|Emax|qNDNAqN0(?s11Vbi???Edx?(xn?xp)|Emax|?|Emax|2?xp22qN0|Emax|?(2qN0Vbi)?[122kTNANDln(?sNAND)12ni]2?s(NA?ND)

对于单边突变结，可通过适当降低轻掺杂一侧的掺杂浓度，使势垒区拉宽来提高雪崩击穿电压。反向饱和电流IS?(qDpLpDpqDnDn2pn?np)?qni(?)LnLpNDLnNA3.在设计和制造晶体管时，为提高晶体管的电流放大系数，应当增加发射区和基区的掺杂浓度的比值解析：???*??[1?(NE，降低基区宽度。 NB?1WB2DWNR)](1?EBB)?(1?b)(1?口E) 2LBDBWENE?BR口BqV，此2kT4.对于硅PN结，当V<0.3V时，电流密度J满足关系式lnJ?时以势垒区复合电流为主；当V>0.45V时，电流密度J满足关系式

lnJ?qV，此时以正向扩散电流为主；在室温下，反向电流以势垒区kT产生电流为主，该电流与ni存在?ni关系。

解析：当温度较低时，总的反射电流中以势垒区产生电流为主；当温度较高时，则以反射扩散电流为主。对于硅PN结，在室温下以势垒区产生电流为主，只有在很高的温度下才以反向扩散电流为主。反向扩散电流含ni2因子，势垒区产生电流则含?ni因子。

5.势垒区电容Cs反映势垒区边缘的电离杂质电荷随外加电压的变化；扩散电容CD反映的是中性区的非平衡载流子电荷随外加电压的变化；变容二极管是使用的势垒区电容。

6.PN结电击穿有齐纳击穿和雪崩击穿两种机制，其中雪崩击穿机制决定的击穿电压具有正温度系数。

7.在小电流的情况，双极结型晶体管的?会降低，这是此时发射极电流中复合的比例增大；大电流时?会降低，这是由于大注入的基区扩展效应。

8.PN结反射饱和电流随结温升高而升高。MOSFET导通状态下，饱和输出电流随半导体温度增加升高而降低，这主要是由于迁移率下降造成的。

解析：对于同一种半导体材料和相同的掺杂浓度，温度越高，则ni越大在，反向饱和电流就越大在，所以J具有正温度系数。

9.由于栅氧化层中通常带正电，这使得N沟道MOSFET的阈值电压绝对值变大，可动钠离子从金属/绝缘层界面移向绝缘层/半导体界面，阈值电压绝对值变小。

10.短沟道MOSFET漏极电流饱和是由于载流子速度饱和，随着沟道长度缩短，阈值电压降低。长沟道MOSFET漏极电流饱和是由于沟道夹断。

11.为了提高双极结型晶体管的基区输运系数，应降低基区宽度，降低基区掺杂浓度；当基区宽度减半时，基区渡越时间变为原来的，这将降低基区穿通电压。

12.双极结型晶体管工作在放大区，发射结正偏，集电结反偏，此时用于模拟电路；工作在截止区，发射结反偏，集电结反偏。 13.PN结的少子存储效应产生PN结的反向恢复时间，存储电荷消失的两个途径是：反向电流的抽取和少子的复合。

14.均匀基区晶体管，少子在基区中主要作扩散运动，又称为均匀基区晶体管。缓变基区晶体管，少子在基区主要作漂移运动，又称为漂移晶体管。由于内建电场的存在使漂移晶体管少子的基区渡越时间低于扩散晶体管。

15.对PN结外加反向电压时，势垒区宽度增大，势垒区内的电场增强。 16.PN结在较小偏压下的反向电流由空穴扩散电流、电子扩散电流和势垒区产生电流三部分所组成。

1417.PN结的击穿有三种机理：它们分别是雪崩倍增、隧道效应和热击穿。

18.在同一个N型衬底上形成两个PN结，结深一样，但P区掺杂浓度不一样，问：此时，高P区浓度PN结的击穿电压应小于低P区浓度PN结的击穿电压。

19.对P沟道MOSFET，栅氧化层中的固定电荷Qox将降低阈值电压。 20.在反偏的P?N结中，电场峰值出现在冶金结处，且N掺杂浓度越低，则耗尽区宽度越宽，耐压越高。向P?区扩展的耗尽区宽度比N区的扩展的耗尽区宽度小，N区耗尽区电荷总数与P区耗尽区电荷总数相等。

21.对于硅材料，P?N?结的主要击穿机理是隧道击穿，P?N?结的主要击穿机理是雪崩击穿。其中，雪崩击穿是由于碰撞电离现象所造成的，雪崩击穿的判定条件是满足表达式??dx?1或碰撞电压积分为?。 22.当P?N?P结构的N?区全耗尽时，该结构的电流电压特性呈现穿通击穿的状态；当P?N?N结构的N?区全耗尽时，该结构的电流电压特性呈现反向阻断，正向导通状态。

23.晶体管的共基电流增益与基区输运系数和发射结发射效率有关。其中，基区输运系数被定义为集电结处电子电流与发射结处电子电流之比。影响它的主要结构和材料参数为基区宽度。发射结发射效率被定义为发射结处电子电流和发射结处总电流之比，影响它的结构和材料主要参数为发射极与基极的浓度比。

24.随着电极电流逐渐增加，在小注入和中等注入水平情况，晶体管

电流增益会增大，进入大注入状态，会出现Webster效应。在极低电流水平下，电流增益是较小的，要提高该状态下的电流增益，应降低体内陷阱。

25.降低基区电阻的工艺和版图措施有增大基区掺杂和结深，采用无源基区重掺杂、采用细线条，并增加基极条数目。

26.在高频晶体管中，当WB较大时，提高fT的主要措施是减小WB和减小集电结耗尽区，但是上述做法会带来击穿电压的下降，因此需要折中。

27.在高频晶体管中，工作频率每增加一倍，|??|减小一半，功率增益

1降为4，可定义功率增益和频率平方的乘积为高频优质，记为M。

28.对于MOSFET当VGS?VT时，MOSFET电流仍然存在，这称为亚阈区导电。此时，沟道表面处于弱反型状态。在计算亚阈值电流时通常只计入扩散电流，而忽略漂移电流。

29.对于MOSFET，改变阈值电压是主要通过改变沟道掺杂浓度和改变栅氧化层厚度来实现的。而栅氧化层中的固定主要呈正电荷特性，栅氧化层中电荷对阈值电压的影响是使阈值电压减小。此外，衬底偏置效应对阈值电压也有影响，栅氧化层越厚，沟道掺杂浓度越高，衬底偏置效应越严重。

30.当发射区掺杂浓度太高时，发射效率变小，这是由于禁带变窄和俄歇复合。

31.在PN结开关管中，在外加电压从正向变为反射后的一段时间内，会出现一个较大的反射电流。引起这个原因是存储在中性区中的非平

衡少子电荷。这个电荷的消失途径有两条，即反向电荷的抽取和载流子复合。

32.在高频下，晶体管基区渡越时间?b对基区输运系数?*有三个作用，它们是：复合损失使?*小于1、时间延迟引起相位延迟和渡越时间的分散使|?*|减小。当基区宽度加倍时，基区渡越时间增大到原来的4倍。

33.小电流时?会下降，这是由于小电流时，发射极电流中复合电流的比例增大。大电流时?会下降，这是由于大注入效应和基区扩展效应。 34.从器件本身的角度，提高开关管的开关速度的主要措施是降低少子寿命和减薄轻掺杂区浓度。

35.雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别为：?0?dx?1和dmin?xdEG足够小。 qE36.要降低基极电阻Rbb?，应当提高基区掺杂浓度，增大基区宽度。 37.在分析PN电流电压特性时，肖克莱方程做了如下假设：突变结近似、波尔兹曼统计近似、小注入假设，在耗尽层中不存在产生-复合电流，此处也未计入中性区的串联电阻。如果考虑耗尽区的产生-复合过程，则总的反向电流为扩散电流和耗尽区产生复合电流之和。

二、简答题

1.某P?N?N?结的雪崩击穿临界电场EC?32V??m?1,当N?区的长度足够长时，击穿电压VB?144V，试求当N?区的长度缩短为3?m时，击穿电压是多少？解：当N区足够长时，开始发生雪崩击穿的耗尽层宽度为2Vxd?B?9?mEc2'VB?VB[1?()2]?80V3

2.说明PN结二极管为什么具有整流特性？肖特基势垒二极管和PN结二极管有均具有整流特性，比较两种器件的异同。

答：Pn结二极管正向电流主要由多子电流，电流随外加电压迅速增大；反射电流主要由少子形成电流，电流随着外加电压变化很小，且电流很小，故具有整流特性。肖特基势垒二极管是多子（单极）器件，开关速度快，反向泄漏电流大；PN结二极管存在少子存储效应，开关速度慢，但反向泄漏电流小。

3.给PN结外加集团电压V，分别写出P区和N区的耗尽区边缘处少子浓度np(?xp)和pn(xn)与V的关系式。基于此，比较工作在放大区的PNP晶体管的发射结耗尽区边缘的少子浓度np(?xp)和pn(xn)与平衡少子浓度np0和pno的大小。 答：np(?xp)?np0eqVkT、pn(xn)?pn0eqVkT。放大区的PNP晶体管的发

射结正偏，故有np(?xp)?np0、pn(xn)?pn0

4.对于长沟道MOSFET，当沟道长度缩短为原来的一半，而其它尺寸，掺杂浓度、偏置条件等都保持不变时，与原来相比，说明下列参数发生什么变化:阈值电压VT、饱和漏极电流IDsat,跨导gm和沟道电导Ron。

答：阈值电压VT保持不变，饱和漏极电流IDsat降低50%，沟道电导Ron增加一倍，跨导gm降低50%。

5.什么是厄尔利效应，简述减小厄尔利效应的方法，并尝试说明这些方法对其他电参数的影响。

答：当Vce增加时，集电结上的反向偏压增加，集电区势垒区宽度变宽。势垒区的右侧向中性集电区扩展，左侧向中性基区扩展。这使得中性基区的宽度WB减小。基区宽度的减小使基区少子浓度梯度增加，必然导致电流放大系数和集电极电流的增大。这就是基区宽度调变效应（也称为厄尔利效应）。为减小厄尔利效应，应增大基区宽度WB，减小集电结耗尽区在基区内的宽度xdB，即增大基区掺杂浓度NB。 但增加WB和NB都将降低基区输运系数，进而降低电流放大系数。

6.给出双极结型晶体管的特征频率、最高振荡频率以及BVCEO的定义。说明提高双极型晶体管的高频优值的主要措施。 答：特征频率：|??|?1时对应的频率；

最高振荡频率：|Kpmax|?1时对应的频率；

BVCEO：基极开路，集电结反偏，ICEO趋于无穷大时的VCE。

提高双极型晶体管的高频优值的主要措施：提高特征频率，降低基极电阻以及集电结势垒电容。

7.在实际工作中，一般是怎样测量双极型晶体管的特征频率fT的？ 答：在实际测量晶体管的特征频率fT时，一般并不需要按fT的定义使

|??|下降到1时的频率，而是在f??f?fT的频率范围内测量|??|值，

然后利用

|??|??0f0f和fT??0f?就可以根据测试频率f和所测得的|??|计算出：

fT?|??|f

式中，|??|?1而f?fT,这样可以降低对测量仪器和信号源的要求。

三、计算题

HzCTE?1pF，CDE?12pF，1.某晶体管的?0?60，当f?15M时测得|??|?4，

CTC?0.2pF，r0?50K?。试求该晶体管的fT、f?，以及当IC?10mA时

的本征混合p参数gm，r?，C?,r?和C?。 解：

当f??f?时，得????0当f?f?时，|??|??0?0f?

f2当f??f?时，|??|?晶体管的特征频率fT?|??|f?60MHz 当Ic?10mA时，

发射结的高频小信号等效电路的发射结增量电阻re?gm?kTkT??2.6? qIEqIC?IC称为晶体管的转?VBE代表集电极电流受发射结电压变化的影响，

移电导，或跨导。

gm??ICqIC1???0.385S ?VBEkTrer???0re?156?C??CDE?CTE?156?r???0rO?3M? reC??CDE?CTE?0.2pFrO

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