微电子器件原理习题讲解2

2、A certain E-mode MOFET has a gate capacitance of 0.02pF, VT=1V, n=700cm3/Vs, tox=0.05m, and L=3m. a. Calculate its gate with W in m. b. Calculate its transconductance gm at VGS=3V in the saturation regime.
③、不同，因为短沟器件缩小尺寸为短沟器 件后，虽然前后物理规律相似，但也有较 大差异。短沟器件（L<0.5μm）必须考虑短 沟效应，当器件尺寸变得更小时，这种效 应越剧烈，甚至会出现如量子效应等新效 应。由于速度过冲，对深亚微米器件分析 时应采用泊松方程、电流连续方程和瞬态 波尔兹曼方程解析，尺寸变化前后不成一 定比列关系，物理规律有较大差异。
A、计算表中相应的输出电压值； B、把表中计算的结果画到下图中，并用一条光滑的曲线把各点连接起来。 某N沟增强型 MOSFET线性区漏电流由 I =K[2(V -V )V -V ]描述，它的饱和区漏电流为I =K(V -V ) , K=1mA/V , V =1V。把MOSFET器件放在下图的电路中： C、(dVOUT/dV这里 IN)的意义是什么？
2、在下列三种情况中，器件尺寸缩小后的物 理规律是否相同，为什么？ ①、缩小前为长沟MOS器件，缩小后仍为长沟 MOS器件； ②、缩小前为长沟MOS器件，缩小后为短沟MOS 器件； ③、缩小前为短沟MOS器件，缩小后为短沟MOS 器件；
答案：
①、相同，因为所有的物理规律都是基于沟 道中的电场分布和电荷分布得到的，长沟 器件缩小尺寸后仍为长沟器件，对长沟器 件而言，尺寸变化并不影响沟道内电场、 电荷分布，渐变沟道近似、薄层电荷近似 仍然适用，可采用漏电流模型，尺寸变化 只会使相关物理参数按比例变化。
1、Two discrete MOSFET are interconnected in the manner shown here to create an inverting amplifier.The two devices are identical in every respect in the lateral dimension W and L. a.Draw an out-plane diagram and apply the principles of loadline-diagram construction to it so that the interaction of the device can be visualized. b.Demonstrate that the given circuit constitutes a linear amplifier by deriving an equation for ites small-signal voltage gain,Av=dVout/dVin. c.Explain graphically the linearity of this amplifier circuit by means of the loading diagram constructed above.
2 D GS T DS DS 2 D GS T 2 t
D、用作图或分析的方法，计算VIN=2V 时，(dVOUT/dVIN)的值。
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• 3、比较几种功率MOSFET的优缺点，（横向 双扩散MOSFET-LDMOS、垂直功率 MOSFET-VMOS、垂直漏v-MOSFET-VVMOS 、垂直双扩散MOSFET-VDMOS、绝缘栅晶 体管-IGBT） ①、横向双扩散MOSFET—LDMOS 优点：输入阻抗高，输入电路小，驱动功率 小；它是多子器件，无少子存储效应，开关 速度快，工作频率高；热稳定性好；电流通 道上无PN结，一般不出现二次击穿现象，安 全工作区大。 缺点：管芯所占面积大，不适 宜制作分立的电力集成器件。
经过上面两题的计算我们知道如下公式：
N沟JFET
ea 2 N d Vp 0 2 s V p Vbi V p 0
2 s (Vbi VDS VGS ) h 2012.5.18 第二次习题 qN d
1/2
内建夹 断电压 夹断电压 （阈电压） 靠近漏端耗 尽层宽度
1、考虑一个理想的n沟MOSFET，参数为 L=1.25μ m，μ n=650cm2/vs，Cox=6.9×108F/cm2，Vt=0.05v，设计一沟道宽度使之满 足Vgs=5v时，Id（sat）=4mA。
2、考虑一个n沟MOSFET，W=15μ m，L=2μ m， Cox=6.9×10-8F/cm2，假设非饱和区漏电流 在Vds=0.10v固定不变时，Vgs=1.5v时， Id=35μ A；Vgs=2.5v时，Id=75μ A（1）确 定反型层载流子的迁移率（2）求阈值电压
微电子器件习题MOSFET
10.53 在一个特殊的双极晶体管，基区 输运时间占总时间的20%，基区宽度为 0.5um,基区扩散系数为DB=20cm2/s,试确 定截止频率。
基区输 运时间
总输运 时间
10.54 假设一个双极晶体管的基区输运时间 是100ps，载流子以107cm/s的速度穿过 1.2um的BC结空间电荷区。BE结充电时间为 25ps，集电区电容和电阻分别为0.10pF和10 欧。试确定截止频率。
τb基区输 运时间 τeBE结 充电时间
τd集电结 耗尽区渡 越时间 τC集电 结充电 时间
很多同学分母为2Vs（参
考半导体物理与器件P29910.95式）
影响晶体管频率的主要 是基区输运时间
13.3一个P沟道的硅JFET在300K时有如下掺杂 浓度Nd=5×1018cm-3，Na=3×1016cm-3 。沟道 厚度为a=0.5um。 （a）估算内建夹断电压Vp0和夹断电压Vp。 （b）计算VGS=1V，VDS等于以下值时最小未耗 尽沟道厚度a-h：（i）VDS=0,（ii）VDS=2.5V，（iii）VDS=-5V
VGS
p+ S a n沟道
h
D
2012.5.18第二次习题
在阈值点，h=a，p+n结的总 电势称为内建夹断电压Vp0
Vp 0
1/2
ea 2 N d 2 s
2 s (Vbi VGS ) ห้องสมุดไป่ตู้ h qN d
2012.5.18第二次习题
2012.5.18第二次习题
• 13.7 分析一个P沟道的GaAs JFET，当 T=300K时它有如下参数：Nd=5×1018cm-3 ， Na=3×1016cm-3 （ Na=8×1016cm-3 ， Nd=3×1018cm-3 ），a=0.3μ m。 (a)计算内建夹断电压和夹断电压； (b)计算VDS=0V,VGS等于以下值时的未耗尽沟 道厚度:(1)VGS=0(2)VGS=1V
VGS
KT/q=Vt
n+ h
0.0259
D
Na Nd Vbi Vt ln 2 ni
内建电 势差
S
a p沟道
2012.5.18第二次习题
2 s (Vbi VGS ) h qN a
1/2
在阈值点，h=a，n+p结的总 电势称为内建夹断电压Vp0 夹断电压（阈电压）Vp：沟 道夹断时的栅源电压，对于p 沟耗尽型器件来说有：
②、垂直功率MOSFET——VVMOS 优点：占面积小，克服了LDMOS利用率低 的缺点；电流垂直流向，减少了表面态带 来的影响；可以使用外延生长。缺点：刻 蚀易沾污；由于尖端电场大，容易击穿； 不利于集成；沟道电阻大，刻蚀工艺难度 大，难以控制。
③、垂直漏U-MOSFET——UVMOS 优点：克服了V-MOS的尖端易击穿的缺点；电流在 体内流动容易控制；电流容量大，可以使用外延 生长。缺点：占面积大，不利于集成；沟道电阻 大。
3、考虑T=300K时的一个n沟MOSFET，设衬底掺 杂浓度为Na=3×1016cm-3，二氧化层厚度为 tox=50nm，Vsb=1v，计算由于衬底偏置引起 的阈值电压改变量。
4、假设n沟MOSFET器件的电子迁移率 μ n=400cm2/vs，沟道长度L=4μ m，设Vt=1v ，Vgs=3v，计算迁移率为常数时理想的 MOSFET的截止频率。
3、The MOSFET of Problem 1 is placed in the circuit shown.
a. Find ID.
b. Find VDS.
4、某N沟增强型 MOSFET线性区漏电流由 Id=K[2(Vgs-Vt)VdsVds2]描述，它的饱和区漏电流为Id=K(Vgs-Vt)2, 这里 K=1mA/V2, Vt=1V。把MOSFET器件放在下图的电路中：
Vp 0
ea N a 2 s
2
V p 0 Vbi V p
2012.5.18第二次习题
2012.5.18第二次习题
靠近漏端 全耗尽
13.5分析一个N沟的硅JFET，它具有以下参数 ：Na=3×1018cm-3，Nd=8×1016cm-3 ， a=0.5μ m（沟道厚度） （a）计算内建夹断电压。 （b）计算未耗尽沟道宽度为0.20um时所需的 栅极电压。
④、垂直双扩散MOSFET——VDMOS 优点：比LDMOS占面积小，频率特性好；沟道长度 L与光刻精度无关，可使L减小；采用平面化结构 ，耐压水平、可靠性提高；电流在沟道内表面流 动，减少了表面效应；击穿电压较大；可采用外 延生长，减少刻蚀影响。缺点：沟道电阻大；不 利于集成。
⑤、绝缘栅晶体管——IGBT 优点：把mos栅极控制和双极型晶体管的大电流集 合在一起，具有较小的控制功率；高的开关速度 ；大的电流处理能力和低的饱和压降；通态压降 低，电流大，击穿电压高。缺点：IGBT内部寄生 了四层PNPN晶闸管，易使器件产生擎住效应，减 少栅的控制能力；由于N-漂移区存在非平衡载流 子的注入，使得关断时有一个较长的拖尾电流， 影响了器件的开关速度。
ea N a Vp 0 2 s P沟JFET V p V p 0 Vbi
2 s (Vbi VDS VGS ) h qN a
1/2
2
×11.7
GaAs的介电常数是13.1 Si的介电常数是11.7
2012.5.18第二次习题
1、画出N沟增强、耗尽，P沟增强、耗尽 MOSFET的输出特性和转移特性曲线 （模拟电子技术基础P49）
②、不同，因为长沟器件缩小为短沟器件后 ，沟道内的电场分布和电荷分布与长沟时 有很大差异，会出现短沟效应，比如速度 饱和、速度过冲等，这时源、漏电荷对于 沟道内电场有极大影响，渐变沟道近似不 在适用，而应采用电荷共享模型和速度饱 和模型。一般而言，短沟器件电流比长沟 小一些，因此前后物理规律不相同。