2013考試題A卷-Answer..

1、貴州大學(xué)2012-2013學(xué)年第二學(xué)期考試試卷科目名：微電子器件物理參考合案一、能帶圖（29分）1. 畫(huà)出硅pn結(jié)零偏、正偏和反偏條件下的能帶圖，標(biāo)出有關(guān)能量。（9分）6EfFuFo2.畫(huà)出金屬-SiO2-Si組成的MOS結(jié)構(gòu)平衡態(tài)的能帶圖，說(shuō)明半導(dǎo)體表面狀 態(tài)。金屬的電子親和勢(shì)7=4.2eV，Si的電子親和勢(shì)7=4.05eV，Si的雜質(zhì)濃度NA=1017cm。假定柵極-氧化層*寸底無(wú)界面態(tài)，氧化層為理想的絕緣層。(6分)N1017q(Ei - Ef) = KT In=KT In = 4.07 (eV)ni1.5x104.2 eV4.05eV£.4.07eV'(a)金屬、碇接

2、觸詢能帯圏(b)接觸際MOS結(jié)構(gòu)能帶圖圖2金屬-SiO2-Si MOS結(jié)構(gòu)平衡態(tài)的能帶圖半導(dǎo)體表面處于耗盡或反型狀態(tài)。3. 重?fù)诫s的n+多晶硅柵極-二氧化硅-n型半導(dǎo)體襯底形成的MOS結(jié)構(gòu)，假定 氧化層電荷為零。畫(huà)出 MOS結(jié)構(gòu)在平衡態(tài)的能帶圖，說(shuō)明半導(dǎo)體表面狀態(tài)。(6分)4.05eV4,G5eV卜陀(a)柵釦Si硅】型硅接觸詢能帶圖(b)接觸JnMOS結(jié)構(gòu)能帶圖圖3 n+多晶硅柵極-二氧化硅-n型半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu)能帶圖半導(dǎo)體表面處于積累狀態(tài)。4. 畫(huà)出 N 型 Gao.7Alo.3As(Eg=1.8eV =3.74eV,Ec-EF=0.10eV)> P 型 GaAs (Eg=1.43e

3、V /=4.00eV, Ef Ev=0.60eV)、P 型 GaoAI o.3As(Eg=1.8OeV, /=3.74eVEf -EV=0.10eV)形成的雙異質(zhì)結(jié)平衡態(tài)及正偏狀態(tài)下(p型GaAlAs接電池正極)的能 帶圖，標(biāo)出有關(guān)數(shù)據(jù)(8分)374eV4.07eV3.74cV第3頁(yè)共10頁(yè)O.lOeV1.80eV1.43eVl.SOeVG.60eV0.1 OeV圖4(a)接觸前能帶圖圖4(b)平衡態(tài)能帶圖A£c.ReV圖4(c)正偏能帶圖第13頁(yè)共10頁(yè)Ep-i 嶄、(b)接觸腐*衡卷能帯I割5. 畫(huà)出金屬-n型硅半導(dǎo)體理想接觸平衡態(tài)及偏置條件下的能帶圖。金屬的功函數(shù) qim=3.

4、9eV, Si 的電子親和勢(shì) qZ=4.05eV。( 5 分6” V収»w <70mfv%Ec1r1卩|1（c）偏置后能帶圖1圖5金屬-n-Si接觸能帶圖二、器件工作機(jī)理和概念（36分）1.簡(jiǎn)述突變空間電荷區(qū)近似（耗盡近似）的概念。（5分）耗盡區(qū)無(wú)自由電荷，只有電離施主或受主電荷；耗盡區(qū)電阻無(wú)窮大，耗盡區(qū) 外電阻近似為零；耗盡區(qū)與中性區(qū)界面突變。2. 畫(huà)出npn晶體管正向有源狀態(tài)下的非平衡少數(shù)載流子分布示意圖，標(biāo)出各 電流分量，并定義晶體管的發(fā)射結(jié)注入效率丫和基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)。T 0 （8分）y =JE% JJnEJnEa：JnE +J pEAeL-I圖5 BJT載流子濃度分布示意

5、圖及主要電流分量3. 導(dǎo)致MOSFET飽和區(qū)輸出特性曲線Id（Vds）上翹原因有哪些？簡(jiǎn)述其機(jī)理。 （6分）溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)（CLM）；漏極電場(chǎng)的誘生勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）；漏耗盡區(qū)的 電離倍增效應(yīng)（SCBE）;漏極電場(chǎng)對(duì)于溝道的靜電反饋?zhàn)饔谩?. 根據(jù)pn結(jié)反偏或正偏條件下的能帶圖，導(dǎo)出pn結(jié)耗盡區(qū)及其邊界處載流子濃乘積表達(dá)式，畫(huà)出pn結(jié)反偏和正偏條件下的載流子濃度分布示意圖。（6分）a平衡態(tài)nEEpp 蟲(chóng)“竝辱f衡態(tài)I圖6平衡態(tài)及正偏7】pn結(jié)能帶圖平衡態(tài)載流子濃度用費(fèi)米能級(jí)表示1）0十1"jEi（x）-EF /kTIp 0 = ni.e非平衡態(tài)空間電荷區(qū)及邊界附近，載流子濃度

6、由準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表示阡n步占嘰iEi（x）-EFp/kTp =n i.e在耗盡區(qū)直至耗盡區(qū)邊界處Inn 2.e（EFnF p）/kTnp =n 2.eqV /kT由此可導(dǎo)出耗盡邊界處載流子濃度。求解連續(xù)性方程，得到載流子分布為指數(shù)分布，如圖7。J1 1<P區(qū)圖7 pn結(jié)載流子濃度分布示意圖5.畫(huà)出雙極型晶體管交流Ebers-Moll模型等效電路。（6分）交流Ebers-Moll模型等效電路在直流模型的基礎(chǔ)上增加pn結(jié)耗盡層電容和擴(kuò)散電容。B'_ % +7斤盛）-1圖8雙極型晶體管交流Ebers-Moll模型等效電路6. 簡(jiǎn)述雙極型晶體管開(kāi)關(guān)過(guò)程中的存儲(chǔ)過(guò)程（存儲(chǔ)時(shí)間）及其成因。（5分

7、）當(dāng)雙極型晶體管BE極電壓由高電平跳變到低電平時(shí)，集電極電流并不立即跳 變到截止?fàn)顟B(tài)（截止?fàn)顟B(tài)只有很小的 C、E間反向漏電流），而是繼續(xù)維持正向大 電流，然后開(kāi)始下降，最后進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。晶體管的存儲(chǔ)過(guò)程對(duì)應(yīng)于晶體管維持 正向大電流直至開(kāi)始下降的過(guò)程。從輸入負(fù)跳時(shí)刻起到到輸出大電流開(kāi)始下降經(jīng) 歷的時(shí)間，稱為存儲(chǔ)時(shí)間，如圖9（a）。如圖9（b），BJT飽和導(dǎo)通，BE、BC結(jié)均正偏，在基區(qū)和集電區(qū)出現(xiàn)超量存儲(chǔ) 電荷（主要是集電區(qū)的存儲(chǔ)的空穴電荷）。存儲(chǔ)過(guò)程就是超量存儲(chǔ)電荷的因反抽和復(fù) 合而消散的過(guò)程。開(kāi)關(guān)過(guò)程ruT輸入屯圧及集電極電流波形圖坐電區(qū)（b）飽和狀態(tài)下超老仔儲(chǔ)電荷小逍:圖圖9 BJT的開(kāi)關(guān)

8、響應(yīng)波形及超量存儲(chǔ)電荷三、計(jì)算（共35分）（T=300K，真空介電常數(shù)：8.85"0°4 F/cm,Si的相對(duì)介電常數(shù)：11.7, SiO2的相對(duì)介電常數(shù)：3.9）1.分別計(jì)算300K下GaAs和Ge兩種pn結(jié)的接觸電勢(shì)差 Vbi。pn結(jié)的參數(shù) 是：Nd =1017 cm",Na=1016 cm'.（GaAs: n=2>d06cm"Ge: ni=2.4d013 cm）.（6分）1017 x1016Vb/GaAs) =0.0259x1n =1.22 (V)(2 咒 106)21017x1016Vb/Ge) =0.0259 X In =0.37

9、 (V)(2.4 X1013)22.硅突變pn結(jié)兩邊雜質(zhì)濃度相等，要使pn結(jié)的擊穿電壓大于等于200伏, 計(jì)算pn結(jié)的雜質(zhì)濃度，同時(shí)計(jì)算P區(qū)和n區(qū)的最小厚度。（硅pn結(jié)的臨界擊穿電 場(chǎng)可近似為 Ecrit= 4 X 105 V/cm，） （12 分）Vb +Vb冷WEcrit2 1 2 2 (Vb +Vbi)2 =-W2E：t4= 12s(VB+Vbi)-4qNEfrit1 E£02Vb 編Ec2rit1%匸22qN7EcritN =2e2N2 qVB Ecr'tVbc *11.7X8.85X10*= 0.5x半咒16咒10101.6X10 X200C 廠 11.7X8.85

10、X16X1015=0.5 X1.6X200=2.6勺015 (cm')=5.2咒1015 ( cm：)Nd =Na =2N要保證達(dá)到200V的擊穿電壓，n區(qū)和p區(qū)厚度都必須大于擊穿電壓下的耗盡 區(qū)厚度。n區(qū)和P區(qū)耗盡區(qū)總厚度為<1/2W2%(Vbi +Vb)V qN_ 倍11.78.85天10*咒200I 1.6"0,9咒2.6"015= 9.98X10, (cm)p/2_310cm , tox = 5 nm, Qox = 3< 10顯然，n區(qū)和p區(qū)厚度都必須大于等于5微米。3.硅n溝道MOSFET, n+多晶硅柵極，Na= 1017cm'。計(jì)算

11、閾值電壓。若將閾值電壓調(diào)整到0.5V，計(jì)算注入雜質(zhì)的面密度和類(lèi)型。 (17 分)1017In = 0.0259X In = 0.407 (V)ni1.5x10氧化層電容Q名OXCox =tox= 3985=6310, (F/cm2)5咒10 二襯底最大耗盡層厚度Xdmax嚴(yán)s(2%)=qNA1/2 =M."85 皿428141/2=1皿10(cm)1.6x109x1017襯底耗盡層電荷Qd qUmax=-1.10" 1011.03105=-1.648心0(C/cm2)氧化層等效電荷,a ,c , JO. c , c-9 , 2、Qox =1.6x10 X3X10 =4.8"0 (C/cm )近似認(rèn)為，對(duì)于n+多晶硅柵極，費(fèi)米能級(jí)Ef與導(dǎo)帶底能級(jí)EC重合，則n+多晶硅柵極與襯底功函數(shù)差為msEg一(2+ %) = -(0.56 +0.407)= -0.967 (V)Vt =2©f p-Co x閾值電壓Qox mW CC