第二次習(xí)題課2013523下午兩點基A404習(xí)題課

微電子器件習(xí)題MOSFET劉杰2013.5.2310.53在一個特殊的雙極晶體管，基區(qū)輸運(yùn)時間占總時間的20%，基區(qū)寬度為0.5um,基區(qū)擴(kuò)散系數(shù)為DB=20cm2/s,試確定截止頻率。基區(qū)輸運(yùn)時間總輸運(yùn)時間10.54假設(shè)一個雙極晶體管的基區(qū)輸運(yùn)時間是100ps，載流子以107cm/s的速度穿過1.2um的BC結(jié)空間電荷區(qū)。BE結(jié)充電時間為25ps，集電區(qū)電容和電阻分別為0.10pF和10歐。試確定截止頻率。τb基區(qū)輸運(yùn)時間τeBE結(jié)充電時間τd集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間τC集電結(jié)充電時間很多同學(xué)分母為2Vs（參考半導(dǎo)體物理與器件P299-10.95式）影響晶體管頻率的主要是基區(qū)輸運(yùn)時間13.3一個P溝道的硅JFET在300K時有如下?lián)诫s濃度Nd=5×1018cm-3，Na=3×1016cm-3

。溝道厚度為a=0.5um。（a）估算內(nèi)建夾斷電壓Vp0和夾斷電壓Vp。（b）計算VGS=1V，VDS等于以下值時最小未耗盡溝道厚度a-h：（i）VDS=0,（ii）VDS=-2.5V，（iii）VDS=-5V2012.5.18第二次習(xí)題在閾值點，h=a，n+p結(jié)的總電勢稱為內(nèi)建夾斷電壓Vp0夾斷電壓（閾電壓）Vp：溝道夾斷時的柵源電壓，對于p溝耗盡型器件來說有：內(nèi)建電勢差DVGSn+ap溝道hSKT/q=2012.5.18第二次習(xí)題2012.5.18第二次習(xí)題靠近漏端全耗盡13.5分析一個N溝的硅JFET，它具有以下參數(shù)：Na=3×1018cm-3，Nd=8×1016cm-3

，a=0.5μm（溝道厚度）（a）計算內(nèi)建夾斷電壓。（b）計算未耗盡溝道寬度為0.20um時所需的柵極電壓。2012.5.18第二次習(xí)題DVGSp+an溝道hS在閾值點，h=a，p+n結(jié)的總電勢稱為內(nèi)建夾斷電壓Vp02012.5.18第二次習(xí)題2012.5.18第二次習(xí)題13.7分析一個P溝道的GaAsJFET，當(dāng)T=300K時它有如下參數(shù)：Nd=5×1018cm-3

，Na=3×1016cm-3

（Na=8×1016cm-3

，Nd=3×1018cm-3

），a=0.3μm。 (a)計算內(nèi)建夾斷電壓和夾斷電壓； (b)計算VDS=0V,VGS等于以下值時的未耗盡溝道厚度:(1)VGS=0(2)VGS=1V2012.5.18第二次習(xí)題經(jīng)過上面兩題的計算我們知道如下公式：N溝JFETP溝JFET靠近漏端耗盡層寬度夾斷電壓（閾電壓）內(nèi)建夾斷電壓2012.5.18第二次習(xí)題×11.7GaAs的介電常數(shù)是13.1Si的介電常數(shù)是11.71、畫出N溝增強(qiáng)、耗盡，P溝增強(qiáng)、耗盡MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線（模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)P49）2、在下列三種情況中，器件尺寸縮小后的物理規(guī)律是否相同，為什么？①、縮小前為長溝MOS器件，縮小后仍為長溝MOS器件；②、縮小前為長溝MOS器件，縮小后為短溝MOS器件；③、縮小前為短溝MOS器件，縮小后為短溝MOS器件；答案：①、相同，因為所有的物理規(guī)律都是基于溝道中的電場分布和電荷分布得到的，長溝器件縮小尺寸后仍為長溝器件，對長溝器件而言，尺寸變化并不影響溝道內(nèi)電場、電荷分布，漸變溝道近似、薄層電荷近似仍然適用，可采用漏電流模型，尺寸變化只會使相關(guān)物理參數(shù)按比例變化。②、不同，因為長溝器件縮小為短溝器件后，溝道內(nèi)的電場分布和電荷分布與長溝時有很大差異，會出現(xiàn)短溝效應(yīng)，比如速度飽和、速度過沖等，這時源、漏電荷對于溝道內(nèi)電場有極大影響，漸變溝道近似不在適用，而應(yīng)采用電荷共享模型和速度飽和模型。一般而言，短溝器件電流比長溝小一些，因此前后物理規(guī)律不相同。③、不同，因為短溝器件縮小尺寸為短溝器件后，雖然前后物理規(guī)律相似，但也有較大差異。短溝器件（L<0.5μm）必須考慮短溝效應(yīng)，當(dāng)器件尺寸變得更小時，這種效應(yīng)越劇烈，甚至?xí)霈F(xiàn)如量子效應(yīng)等新效應(yīng)。由于速度過沖，對深亞微米器件分析時應(yīng)采用泊松方程、電流連續(xù)方程和瞬態(tài)波爾茲曼方程解析，尺寸變化前后不成一定比列關(guān)系，物理規(guī)律有較大差異。3、比較幾種功率MOSFET的優(yōu)缺點，（橫向雙擴(kuò)散MOSFET-LDMOS、垂直功率MOSFET-VMOS、垂直漏v-MOSFET-VVMOS、垂直雙擴(kuò)散MOSFET-VDMOS、絕緣柵晶體管-IGBT）①、橫向雙擴(kuò)散MOSFET—LDMOS優(yōu)點：輸入阻抗高，輸入電路小，驅(qū)動功率?。凰嵌嘧悠骷?，無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性好；電流通道上無PN結(jié)，一般不出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)大。缺點：管芯所占面積大，不適宜制作分立的電力集成器件。②、垂直功率MOSFET——VVMOS優(yōu)點：占面積小，克服了LDMOS利用率低的缺點；電流垂直流向，減少了表面態(tài)帶來的影響；可以使用外延生長。缺點：刻蝕易沾污；由于尖端電場大，容易擊穿；不利于集成；溝道電阻大，刻蝕工藝難度大，難以控制。③、垂直漏U-MOSFET——UVMOS優(yōu)點：克服了V-MOS的尖端易擊穿的缺點；電流在體內(nèi)流動容易控制；電流容量大，可以使用外延生長。缺點：占面積大，不利于集成；溝道電阻大。④、垂直雙擴(kuò)散MOSFET——VDMOS優(yōu)點：比LDMOS占面積小，頻率特性好；溝道長度L與光刻精度無關(guān)，可使L減小；采用平面化結(jié)構(gòu)，耐壓水平、可靠性提高；電流在溝道內(nèi)表面流動，減少了表面效應(yīng)；擊穿電壓較大；可采用外延生長，減少刻蝕影響。缺點：溝道電阻大；不利于集成。⑤、絕緣柵晶體管——IGBT優(yōu)點：把mos柵極控制和雙極型晶體管的大電流集合在一起，具有較小的控制功率；高的開關(guān)速度；大的電流處理能力和低的飽和壓降；通態(tài)壓降低，電流大，擊穿電壓高。缺點：IGBT內(nèi)部寄生了四層PNPN晶閘管，易使器件產(chǎn)生擎住效應(yīng)，減少柵的控制能力；由于N-漂移區(qū)存在非平衡載流子的注入，使得關(guān)斷時有一個較長的拖尾電流，影響了器件的開關(guān)速度。1、考慮一個理想的n溝MOSFET，參數(shù)為L=1.25μm，μn=650cm2/vs，Cox=6.9×10-8F/cm2，Vt=0.05v，設(shè)計一溝道寬度使之滿足Vgs=5v時，Id（sat）=4mA。2、考慮一個n溝MOSFET，W=15μm，L=2μm，Cox=6.9×10-8F/cm2，假設(shè)非飽和區(qū)漏電流在Vds=0.10v固定不變時，Vgs=1.5v時，Id=35μA；Vgs=2.5v時，Id=75μA（1）確定反型層載流子的遷移率（2）求閾值電壓3、考慮T=300K時的一個n溝MOSFET，設(shè)襯底摻雜濃度為Na=3×1016cm-3，二氧化層厚度為tox=50nm，Vsb=1v，計算由于襯底偏置引起的閾值電壓改變量。4、假設(shè)n溝MOSFET器件的電子遷移率μn=400cm2/vs，溝道長度L=4μm，設(shè)Vt=1v，Vgs=3v，計算遷移率為常數(shù)時理想的MOSFET的截止頻率。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溝增強(qiáng)型MOSFET線性區(qū)漏電流由ID=K[2(VGS-VT)VDS-VDS2]描述，它的飽和區(qū)漏電流為ID=K(VGS-VT)2,這里K=1mA/V2,Vt=1V。把MOSFET器件放在下圖的電路中：4、某N溝增強(qiáng)型MOSFET線性區(qū)漏電流由Id=K[2(Vgs