半导体器件与物理试题.docx

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半导体器件与物理试题

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题（A）

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙

一、（20分）名词解释

（1）单边突变结

（2）大注入

（3）基区自偏压效应

（4）发射极电流集边效应

（5）小信号

（6）雪崩击穿

二、（16分）对PN结解连续性方程基于哪几个基本假设得到下述I－V特性？

I＝A（

请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。

三、（16分）

（1）说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流IC以及偏置电压VCE变化的趋势。

（2）绘制能表现这种变化趋势的IC－VCE输出特性曲线示意图。

（3）是哪些物理效应导致β0与IC、VCE有关？

（只要说明是什么物理效应，不要求解释）

四、（16分）：

双极晶体管特征频率与晶体管结构参数的关系如下式所示：

fT≈

（1）说明分母括号中每一项（注意：

不是每个参数）代表什么时常数；

（2）结合上述表达式，说明提高双极晶体管特征频率的主要措施。

五、（16分）下图是PN结隔离双极集成电路中多发射极条NPN晶体管埋层、隔离、基区、发射区、引线孔（已填充灰色）几个层次的版图图形。

（1）说明采用多发射极条结构的优点和缺点。

（2）请在版图中标注出埋层、隔离、基区、发射区层次的图形。

（3）说明确定发射区图形的长度和宽度、N－外延层的电阻率和外延层厚度时需要考虑什么问题。

六、（16分）

（1）说明PN结二极管模型和模型参数描述中“面积因子”的含义以及采用“面积因子”的作用；

（2）说明PN结二极管模型参数IS、RS、CJ0、TT、BV、IBV的含义。

其中哪几个参数的默认值是0、或者无穷大？

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题（A）

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙

一、（20分）名词、符号解释

（1）单边突变结：

若pn结面两侧为均匀掺杂，即由浓度分别为NA和ND的p型半导体和n型半导体组成的pn结，称为突变结。

若一边掺杂浓度远大于另一边掺杂浓度，即NA>>ND或ND>>NA，这种pn结称为单边突变结。

（2）大注入：

注入的非平衡载流子浓度与平衡多子浓度相比拟甚至大于平衡多子浓度的情况称为大注入。

（3）基区自偏压效应：

基区电流水平流过基区，在有源基区上产生压降，使靠近基极条处的电势与远离基极条处的电势不相等，而发射区掺杂浓度较高，电势相等，从而使EB结上压降不相等，这种效应是由有源基区电阻rb1引起的，称为基区自偏压效应。

（4）发射极电流集边效应：

由于基区电阻导致的基区自偏压效应，发射结面上不同位置的结压降不相等，离基极近的部分结压降大，注入的电流密度大。

而离基极远的部分结压降小，注入的电流密度小。

如果情况严重，这一部分结面甚至没有电流注入，使发射结电流集中位于离基极近的发射结边缘处，这一现象称为电流集边效应。

（5）小信号：

信号幅度很小，满足条件V〈〈（kT/q）=26mv。

（6）雪崩击穿：

在反向偏置时，势垒区中电场较强。

随着反向偏压的增加，势垒区中电场会变得很强，使得电子和空穴在如此强的电场加速作用下具有足够大的动能，以至于它们与势垒区内原子发生碰撞时能把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。

新产生的电子、空穴在强电场加速作用下又会与晶格原子碰撞轰击出新的导电电子和空穴……，如此连锁反应好比雪崩一样。

这种载流子数迅速增加的现象称为倍增效应。

如果电压增加到一定值引起倍增电流趋于无穷大，这种现象叫雪崩击穿。

基区穿通：

集电结还未发生雪崩倍增时、集电结势垒区就已经扩展到了整个基区（即基区宽度减小到0）的现象

夹断压降：

沟道夹断时栅上的总电压降

（MOS结构的）半导体表面强反型：

是半导体表面导电的电子浓度等于衬底多子浓度所对应的状态

二、（16分）对PN结解连续性方程基于哪几个基本假设得到下述I－V特性？

I＝A（

请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。

答：

上述PN结I－V特性是针对符合以下假设条件的理想pn结模型得到的。

（a）小注入。

指注入的少数载流子浓度比相应各区中平衡多子浓度小得多。

在n区中要求∆p<

nno和ppo分别为n和p区平衡电子和空穴浓度。

（b）耗尽层近似。

即空间电荷区中载流子全部耗尽，因此该区中的电荷只是离化杂质浓度。

这样空间电荷区是个高阻区，外加电压全部降落在结上，在空间电荷区以外的中性区中少数载流子的运动纯为扩散。

（c）不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用。

因此电子和空穴电流在通过耗尽层过程中保持不变。

（d）在有外加电压作用的情况下，耗尽层边界处载流子浓度分布满足玻耳兹曼分布式。

实际PN结伏安特性与理想特性的主要差别是：

（a）正向特性小电流范围实际电流大于理论值，而且电流与电压之间的关系为[exp（qV/2kT）-1]。

原因是小电流时势垒区实际存在的复合电流不可以忽略。

（b）正向特性大电流范围实际电流小于理论值，而且电流与电压之间的关系为[exp（qV/2kT）-1]。

原因是大电流时小注入条件不再成立，出现大注入效应，在空间电荷区以外的区域产生自建场。

在更大电流范围，空间电荷区以外区域的电压降不再可以忽略。

（c）在反向偏置时，实际反向电流大于理论值，而且不“饱和”。

原因是反向时势垒区存在产生而形成势垒区产生电流；此外还存在表面复合电流等影响。

三、（16分）

（1）说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流IC以及偏置电压VCE变化的趋势。

（2）绘制能表现这种变化趋势的IC－VCE输出特性曲线示意图。

（3）是哪些物理效应导致β0与IC、VCE有关？

（只要说明是什么物理效应，不要求解释）

答：

（1）在IC很小时，随着IC的减小，β0将减小。

当IC达到一定值时，随着IC的增加，β0则基本保持不变。

当IC很大时，β0将随着IC的增加而减小。

随着VCE的增大，β0将增大。

（2）表现上述变化趋势的IC－VCE输出特性曲线示意图如右图所示。

（3）按照理想模型，β0不会随着IC和VCE的变化而变化。

但是，在IC很小时，由于势垒区复合以及表面漏电流的存在，使得β0随着IC的减小而减小。

当IC很大时，由于大注入效应以及基区展宽效应，使得β0随着IC的增加而减小。

由于基区宽变效应（又称为厄利效应）使得β0随着VCE的增大而增大。

四、（16分）：

双极晶体管特征频率与晶体管结构参数的关系如下式所示：

fT≈

（1）说明分母括号中每一项（注意：

不是每个参数）代表什么时常数；

（2）结合上述表达式，说明提高双极晶体管特征频率的主要措施。

答：

（1）fT表达式分母中四项分别描述的是τe、τb、τd和τc，分别表示发射结电容时常数、基区渡越时间、集电结渡越时间和集电结电容时常数，（τe＋τb＋τd＋τc）即为总延迟时常数，或称为总渡越时间。

（2）fT表达式中，Wb为基区宽度、CTE和CTC分别为发射结和集电结势垒电容、RC为集电区串联电阻、xmc为集电结空间电荷区宽度、νdc为电子通过极电结空间电荷区的漂移速度最大值。

由此可见，提高晶体管特征频率fT的主要途径是减小各个时常数，包括：

（a）减小基区宽度，以减小基区渡越时间τb。

（b）减小发射结面积AE和集电结面积AC，可以减小发射结和集电结势垒电容，从而减小时常数间τe和τc。

（c）减小集电区串联电阻RC，也可减小τc。

五、（15分）下图是PN结隔离双极集成电路中多发射极条NPN晶体管埋层、隔离、基区、发射区、引线孔（已填充灰色）几个层次的版图图形。

（1）说明采用多发射极条结构的优点和缺点。

（2）请在版图中标注出埋层、隔离、基区、发射区层次的图形。

（3）说明确定发射区图形的长度和宽度、N－外延层的电阻率和外延层厚度时需要考虑什么问题。

答：

（1）对多发射极条结构，每个发射极条两侧均有基极条，从而减小基区串联电阻，充分利用发射极周长发射电流，在保证发射极电流IE的前提下，多发射极条结构的发射区周长面积比最小，是解决双极晶体管功率和频率之间矛盾的一项主要措施，因此对工作电流比较大的双极晶体管都采用多发射极条结构。

由于采用多发射极条，器件面积将随之增加。

（2）

（3）发射区图形的宽度取决于光刻精度；

发射区图形的总条长取决于工作电流IE；

确定单个发射极条的长度时要考虑发射极金属条压降产生的自偏压效应导致长度方向发射极端头不能充分用于发射电流；

确定N－外延层的电阻率要满足BC结击穿电压的要求；

确定外延层厚度时需要考虑在BC结电压小于BC结击穿电压之前不应该发生外延层穿通。

六、（16分）

（1）说明PN结二极管模型和模型参数描述中“面积因子”的含义以及采用“面积因子”的作用；

（2）说明PN结二极管模型参数IS、RS、CJ0、TT、BV、IBV的含义。

其中哪几个参数的默认值是0、或者无穷大？

答：

（1）同一工艺过程生成的不同图形尺寸的二极管，剖面结构相同，只是结面积不同。

因此与结面积无关的模型参数（例如VD、M、N等）相同，与面积有关的模型参数（例如IS、CJ0等）不同。

这样可以将其中一个二极管作为参照二极管。

只要将参照二极管的面积取为1，同时给出该参照二极管的模型参数。

其他二极管只要给出其结面积与参照二极管结面积之比，称之为面积因子。

则这些二极管模型参数中与面积无关的模型参数就取为参照二极管的模型参数，与面积有关的模型参数就用参照二极管的模型参数再按照与结面积的关系与面积因子相计算即可。

采用面积因子的优点是同一工艺下的不同二极管可以共用一组模型参数，而不需要对每一种二极管都要给出一组模型参数。

（2）

模型参数

含义

单位

默认值

IS

RS

CJ0

TT

BV

IBV

饱和电流IS

体串联电阻RS

零偏势垒电容CT0

渡越时间τ

反向击穿电压

对应于击穿电压的电流

A

ohm

F

s

V

A

0

0

0

∝

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题（B）

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙

一、（20分）名词解释

（1）耗尽层、势垒区、空间电荷区

（2）齐纳击穿

（3）扩散电容

（4）基区Gummel数

（5）特征频率fT

（6）基区宽变效应

二、（16分）什么是单边突变结？

降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度对PN结的势垒区宽度、势垒电容、击穿电压、PN结反向电流等参数有什么影响？

三、（16分）

（1）画出典型PN结隔离双极集成电路中的NPN晶体管、纵向PNP晶体管和横向PNP晶体管的剖面结构示意图。

（2）绘出其中NPN晶体管的版图示意图，并在版图上标示出不同层次的名称。

四、（16分）用曲线形式定性表示双极晶体管直流电流放大系数β0随工作电流IC的变化情况，并说明引起大电流和小电流情况下β0变化的原因（只要求说明是什么物理原因，不要求解释引起变化的过程）。

五、（16分）对基区为均匀掺杂的双极晶体管，若基区宽度远小于基区中少子的扩散长度，请采用“近似方法”推导基区输运系数与基区宽度的关系。

若减小基区宽度将导致下述4个特性参数增大还是减小：

基区电阻、基区穿通电压、厄利电压、势垒电容。

六、（16分）

（1）说明晶体管模型和模型参数的含义，并说明晶体管模型和模型参数对集成电路设计起什么作用；

（2）下述表格中列出了部分二极管模型参数的符号，请在表中添加每个模型参数的含义、单位、以及默认值一列中空缺的默认值。

（3）什么情况下可以直接采用这些空缺的默认设置值。

模型参数

含义

单位

默认值

IS

N

RS

CJ0

M

VJ

TT

BV

IBV

1.0E-14

1

0.5

1

1.0E-3

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题（B）

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙

一、（20分）名词、符号解释

（1）耗尽层、势垒区、空间电荷区

pn结界面两侧半导体中的载流子由于存在浓度差梯度而互相向对方区域扩散，在pn结界面附近n区和p区分别留下了不可动的电离施主和电离受主杂质离子，分别带有正负电荷，形成空间电荷区，在该区域中建立有电场，形成电位差，产生相应的势垒。

因此pn结空间电荷区又称为pn结势垒区。

在势垒区中载流子浓度趋于零，即载流子基本“耗尽”，因此又称为“耗尽层”。

（2）齐纳击穿

对重掺杂PN结，随着结上反偏电压增大，可能使P区价带顶高于N区导带底。

P区价带的电子可以通过隧道效应直接穿过禁带到达N区导带，成为导电载流子。

当结上反偏电压增大到一定程度，将使隧穿电流急剧增加，呈现击穿现象，称为隧道击穿，又称为齐纳击穿。

（3）扩散电容

对于正偏pn结，当外加偏压增加时，注入n区的空穴增加，在n区的空穴扩散区内形成空穴积累，为保持电中性条件，扩散区内电子浓度也相应增加。

电子注入p区情形类似。

这种扩散区中的电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称为扩散电容。

（4）基区Gummel数

与单位结面积对应的基区中掺杂总数称为基区的Gummel数，即

QB=

（5）特征频率fT

使得共射极电流放大系数β下降为1的频率称为特征频率，记为fT。

（6）基区宽变效应

集电结反偏电压绝对值越大，集电结空间电荷区也越宽，则空间电荷区深入到基区的部分也越宽。

这样将导致有效基区宽度减小。

基区宽度随着集电结反偏电压变化而变化的现象称为基区宽变效应。

二、（16分）什么是单边突变结？

降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度对PN结的势垒区宽度、势垒电容、击穿电压、PN结反向电流等参数有什么影响？

答：

若PN结两侧为均匀掺杂，则称之为突变结。

如果突变结的一边掺杂浓度比另一边的大得多，则称之为单边突变结。

降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度，将使PN结的内建电势减小、势垒区宽度增大、势垒电容减小、击穿电压增大、PN结反向电流增大。

三、（16分）

（1）画出典型PN结隔离双极集成电路中的NPN晶体管、纵向PNP晶体管和横向PNP晶体管的剖面结构示意图。

（2）绘出其中NPN晶体管的版图示意图，并在版图上标示出不同层次的名称。

答：

三种晶体管剖面图以及NPN晶体管的版图层次如下图所示

四、（16分）用曲线形式定性表示双极晶体管直流电流放大系数β0随工作电流IC的变化情况，并说明引起大电流和小电流情况下β0变化的原因（只要求说明是什么物理原因，不要求解释引起变化的过程）。

答：

双极晶体管直流电流放大系数β0随工作电流IC的变化情况如右图所示。

IC很小时，β0随IC增大而迅速增大。

当IC中等时β0基本维持一恒定值，当IC很大时，β0随IC的增大而下降。

导致上述变化规律的原因是：

IC很小时，由于势垒复合电流导致β0下降。

IC很大时，由于大注入基区电导调制效应（使γ0↓从而β0↓）和大注入自建场（使β0*↑，从而β0↑）效应的共同影响，使β0下降。

五、（16分）对基区为均匀掺杂的双极晶体管，若基区宽度远小于基区中少子的扩散长度，请采用“近似方法”推导基区输运系数与基区宽度的关系。

若减小基区宽度将导致下述4个特性参数增大还是减小：

基区电阻、基区穿通电压、厄利电压、势垒电容。

答：

基区输运系数

由于WB<

∴

∴

减小基区宽度，基区电阻增大，基区穿通电压减小，厄利电压会减小，势垒电容不受影响。

六、（16分）

（1）说明晶体管模型和模型参数的含义，并说明晶体管模型和模型参数对集成电路设计起什么作用；

（2）下述表格中列出了部分二极管模型参数的符号，请在表中添加每个模型参数的含义、单位、以及默认值一列中空缺的默认值。

（3）什么情况下可以直接采用这些空缺的默认设置值。

模型参数

含义

单位

默认值

IS

N

RS

CJ0

M

VJ

TT

BV

IBV

1.0E-14

1

0.5

1

1.0E-3

答：

（1）对电路进行模拟仿真时，每个晶体管都用其等效电路来代替。

能代表晶体管特性的等效电路就称为晶体管模型。

“等效”是指晶体管模型和实际晶体管器件的端特性等效。

描述晶体管模型（等效电路）中每个元件值的参数就称为晶体管模型参数。

晶体管模型是否精确以及晶体管模型参数是否较好地描述实际器件的特性，将决定电路模拟结果是否正确、可信。

（2）

模型参数

含义

单位

默认值

IS

N

RS

CJ0

FC

M

VJ

TT

BV

IBV

反向饱和电流

发射系数

体串联电阻

零偏势垒电容

正偏势垒电容系数

电容梯度因子

接触电势VD

渡越时间τ

反向击穿电压

对应于击穿电压的电流

A

－

ohm

F

－

－

V

s

V

A

1.0E-14

1

0

0

0.5

0.5

1

0

∝

1.0E-3

（3）如果不需要考虑这些默认值为0或者无穷大的模型参数反映的物理效应的影响，就可以直接采用这些默认值。

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名

说明：

第1题名词解释必须用英语回答。

其他五题可以采用中文回答。

1．（20marks）Pleasegivethemeaningofthefollowingterms:

（1）onesidedjunction

（2）linearlygradedjunction

（3）basewidthmodulation

（4）avalanchebreakdown

（5）basetransittime

（6）high-levelinjection

（7）diffusioncapacitance

（8）storagetime.

2.（15marks）

ASistepjunctionmaintainedatroomtemperatureunderequilibriumconditionshasap-sidedopingofNA=1017cm-3andann-sidedopingofND=1015cm-3.PleaseCompute

（1）Vbi

（2）Xp、XnandW

（3）Electricfieldatx=0

（Itisknownthat

=8.8542×10-12F/m，

=11.8，q=1.60×10-19C，andkT/q=0.026V）

3.（15分）解连续性方程得到下述PN结I－V特性时基于哪几个基本假设？

I＝A（

请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。

4.（16分）

（1）说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流IC以及偏置电压VCE变化的趋势。

（2）绘制能表现这种变化趋势的IC－VCE输出特性曲线示意图。

（3）是哪些物理效应导致β0与IC、VCE有关？

（只要求说明是什么物理效应，不要求解释）

5.（16分）

（1）为什么双极晶体管的特征频率fT又称为增益带宽乘积？

（2）从载流子输运过程考虑，特征频率与哪几个时常数有关？

可以采取哪些措施减小时常数从而提高特征频率？

6.（18Marks）

（1）Whatisthetransistormodelandmodelparameters?

（2）PartsoftheBJTmodelparametersarelistedinsidethefollowingtable.Pleasegivethenameandunitofallthemodelparameters,andthedefaultvalueintheblankboxesofthemostrightcolumn。

（3）Inwhatsituationcouldweusethedefaultvalueintheblankboxesofthemostrightcolumn?

BJTModel

Parameters

Name

Unit

Default

Value

IS

1.0E-14

BF

100

BR

1.0

VAF

VAR

IKF

IKR

CJE

VJE

1.0

MJE

0.5

TF

TR

西安电子科技大学

考试时间120分钟

试题答案

题号

一

二

三

四

五

六

总分

分数

1.考试形式：

闭卷；2.本试卷共六大题，满分100分。

班级学号姓名

说明：

第1题名词解释必须用英语回答。

其他五题可以采用中文回答。

2．（20marks）Pleasegivethemeaningofthefollowingterms

（1）onesidedjunction：

apnjunctioninwhichonesideofthejunctionismuchmoreheavilydopedthantheotherside.

（2）linearlygradedjunction：

apnjunctioninwhichthedopingconcentrationsoneithersideofthemetallurgicaljunctionareapproximatedbyalineardistribution.

（3）basewidt