姓名 麻省理工学院 电气工程与计算机科学系 6.012撒电子器件与电略 期末考试 开卷 注意： 1除非另外说明，都假定在室温下并且kT构为0025V,kTnl0-60mV,Si的mi-10cm3. 2本测最的大部分内容都能随立亮成。 3所有的答案和相关的内容都应该写在这些试卷上，任何额外的交卷都不予评分， 4允许合理的近似和假设。任何此类近似和假设都要给出声明并证明。 5.确认你已拿到本测验册的所有15页试季并已在本页项都的空白处填写了姓名。 6你可以从1998年1月5日起查看你的测险成绩. 此处仅限阅卷老师填写 题1 题2 题3】 题4 题5 总计 第1题(20分)热身题
姓名___________________ 麻省理工学院 电气工程与计算机科学系 6.012 微电子器件与电路 期末考试 开卷 注意： 1.除非另外说明，都假定在室温下并且kT/q为 0.025V，kT/qln10=60mV，Si的ni=1010 cm -3。 2.本测验的大部分内容都能独立完成。 3.所有的答案和相关的内容都应该写在这些试卷上，任何额外的交卷都不予评分。 4.允许合理的近似和假设。任何此类近似和假设都要给出声明并证明。 5.确认你已拿到本测验册的所有 15 页试卷并已在本页顶部的空白处填写了姓名。 6.你可以从 1998 年 1 月 5 日起查看你的测验成绩。 此处仅限阅卷老师填写 题 1____________ 题 2____________ 题 3____________ 题 4____________ 题 5____________ 总计 第 1 题（20 分）热身题
(a》用少于15词回答下面的小问题 《)如果我们假定满足低水平注入《即低携条)的条件，可以获得哪些计算方面的优 势？ 《11)假设器件拥有相同的尺寸，给定的漏级偏置电流，一沟道和p一沟道的SFET 相比哪个具有较大的跨导，为什么？ 口沟道 口沟道，因为 《)在光电二极管中，光电流的符号是什么（电流的正方向规定为从咖结的p端流 入n端》，为什么？ 口正口负，因为 (v)分别描述SFET三个主要工作区中的沟道的特征T 我止区： 线性区： 饱和区： (V)QS数字集成电路的事个特征最有可能促使简易掌上计算器的生产厂商用它取代 其它的浴管或双极逻辑圈件？ 第1愿续下页
2 （a） 用少于 15 词回答下面的小问题 （i）如果我们假定满足低水平注入（即低掺杂）的条件，可以获得哪些计算方面的优 势？ （ii）假设器件拥有相同的尺寸，给定的漏级偏置电流|ID|，n-沟道和p-沟道的MOSFET 相比哪个具有较大的跨导，为什么？ □n-沟道 □p-沟道 ， 因为 （iii）在光电二极管中，光电流的符号是什么（电流的正方向规定为从 pn 结的 p 端流 入 n 端），为什么？ □正 □负， 因为 （iv）分别描述 MOSFET 三个主要工作区中的沟道的特征？ 截止区： 线性区： 饱和区： （v）CMOS 数字集成电路的哪个特征最有可能促使简易掌上计算器的生产厂商用它取代 其它的 MOS 管或双极逻辑器件？ 第 1 题续下页
3 第1题续 (b) 对于两个几何形状相同的双极品体管，一个是pn型，另一个是即型，且这两个品 体管的射极区、基极区和集电极区的浅杂浓度相等。假设少数载流子寿命无限并且 D=3,针对下面的一些参数比较一下这两个器件。解释你的结论。 (1)共射极电流增益 口npn中的大 口即中的大口两者相等，因为 (ii)小容量基极-集电极电容，C,相同的偏置，V: 口pn中的大口即中的大口两者相等，因为 (iii》共射极短格电流单位增益频率，： 口npn中的大口pp中的大口两者相等，因为 (iv)小信号跨导，m,相同的偏置水平，1： 口pn中的大口即中的大口两者相等，因为 (v)(1)在相同的基极-射极偏置电压V✉下，基极过剩电荷存储（假设偏置在正 向工作区： 口npn中的大 口p即中的大口两者相等，因为 (2》在相同的集电极偏置电流下，基极中的过剩电种存储（假设偏置在 正向工作区： 口npn中的大 口即中的大口两者相等，因为 第1题完 第2题(20分)
3 第 1 题续 （b） 对于两个几何形状相同的双极晶体管，一个是npn型，另一个是pnp型，且这两个晶 体管的射极区、基极区和集电极区的掺杂浓度相等。假设少数载流子寿命无限并且 De=3Dh，针对下面的一些参数比较一下这两个器件。解释你的结论。 （i） 共射极电流增益 □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 （ii） 小容量基极-集电极电容，C，相同的偏置，|VCB|： □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 （iii） 共射极短路电流单位增益频率，fT： □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 （iv） 小信号跨导，gm，相同的偏置水平，|IC|： □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 （v） （1）在相同的基极-射极偏置电压|VBE|下，基极过剩电荷存储（假设偏置在正 向工作区）： □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 （2）在相同的集电极偏置电流|IC|下，基极中的过剩电荷存储（假设偏置在 正向工作区）： □npn 中的大 □pnp 中的大 □两者相等，因为 第 1 题完 第 2 题 （20 分）
4 3 go pairs/cm-s Ohmic Ohmic p-type,:NA + Voc 2-w20w2L2 一块开路的-型硅样本，长为，受主浓度N为2*10c。用光束均匀且对称的照射在 其中间部位上长的一段区域上，如上图所示。光学发生函数LX在/2L).样本处于空盟下. (a)在无光的情况下，样本中空穴和电子的平衡沫度和九的近似值各为多少： 几“ 0 g 第2题续下页
4 一块开路的p-型硅样本，长为L，受主浓度NA为 2*10 17 cm-3，用光束均匀且对称的照射在 其中间部位上长w的一段区域上，如上图所示。光学发生函数 在-w/2<x<w/2 时为 空 穴-电子对/cm3 -s，当x为其它值时为零（0）。样本的两端都有欧姆接触。 假设低水平注入并且少数载流子电流主要由扩散作用产生。电子迁移率μe为 1600 cm2 /V-s且其寿命e为 10 -6 s，同时空穴的迁移率μh为 600 cm2 /V-s。电子扩散的长度要远大于 样本的长度L（即 ）。样本处于室温下。 （a） 在无光的情况下，样本中空穴和电子的平衡浓度po和no的近似值各为多少？ no=_________________cm-3 po=_________________cm-3 第 2 题续下页
第2题续 (6)此样本的空穴和电子扩散系数D和D各是多少？ n ca/s = cn/s (©)在光瓢根长一段时间之后，找出样本中剩余电子的静态空间分布情况”(x), 绘图并标注结果于下面的空白处。注意>L ()找出样本中空穴电流密度从)和电子电流密度)，绘图并标注结果于下面的 空自处。 第2圈线下页
5 第 2 题 续 （b） 此样本的空穴和电子扩散系数De和Dh各是多少？ De=________________cm2 /s Dh=________________cm2 /s （c） 在光照很长一段时间之后，找出样本中剩余电子的静态空间分布情况 n’(x)。 绘图并标注结果于下面的空白处。注意 Le>>L。 （d） 找出样本中空穴电流密度Jh(x)和电子电流密度Je(x)，绘图并标注结果于下面的 空白处。 第 2 题续下页
第2题续 《)找出样本的电场分布情况。绘图并标鞋结果于下面的空白处。 《)假设欧年接触不产生电压降，样本的开路电压Vc是多少？ Voc= 第2题完 第3题(20分)
6 第 2 题续 （e） 找出样本的电场分布情况。绘图并标注结果于下面的空白处。 （f） 假设欧姆接触不产生电压降，样本的开路电压 Voc 是多少？ Voc=___________________V 第 2 题完 第 3 题（20 分）
这个月题设计到新型的半导体一氧化物一率导体结构(S6),示于下图。两段率导体区减都 是净受主浓度为10c的即型硅！氧化物是一个50nm(5x10cm)厚的二氧化硅层。硅51的 介电常数是10“r/ca,二氧化硅o的介电常爱是35x10f/cm. SiO p-Si. p-Si, B 10cm" 10'cm t202 利用耗尽近椒模型解决本愿： (a》当Ta0且图示结构处于热平衡状态时，在下面的空白处绘出x位于/2和s/2之间 的静电势分布的草图并作出标注。 (b)当P型区域的热平衡静电势为时，在装置两璃如上偏置电压使得x1/2时的静电势 等于-p:也就是(t/=-p),我们称这种现象为右测倒置激发。并且称这个偏置电 压为右侧门限电压，V假。 ()V的符号是什么？解释你的答案。 口正口负 口都不是（即YR0》,因为 第3题接下页 第3题续
7 这个问题设计到新型的半导体－氧化物－半导体结构（SOS），示于下图。两段半导体区域都 是净受主浓度为 1016 cm-3的p型硅；氧化物是一个 50nm（5x10-6cm）厚的二氧化硅层。硅Si的 介电常数是 10-12f/cm，二氧化硅ox的介电常数是 3.5x10-13f/cm。 利用耗尽近似模型解决本题。 （a） 当VAB=0 且图示结构处于热平衡状态时，在下面的空白处绘出x位于-w/2 和w/2 之间 的静电势分布的草图并作出标注。 （b） 当p型区域的热平衡静电势为p时，在装置两端加上偏置电压使得x=tox/2 时的静电势 等于-p，也就是（tox/2=-p）。我们称这种现象为右侧倒置激发，并且称这个偏置电 压为右侧门限电压，VTR。 (i) VTR的符号是什么？解释你的答案。 □正 □负 □都不是（即VTR=0）， 因为 第 3 题接下页 第 3 题续
ǘ1)在此偏置电压下，右边1/2侧的耗尽层的厚度是多少？ 耗尽层厚度三 (ǘ11)在此偏置电压作用下，左侧即x气2测的半导体-氧化物接触面的状老是？ 口积聚 口耗尽口反型，因为 (iv)VR的值是7 Vn= (C》在给定空白处绘出当偏置电压V为A+2V时，-w/2x(/2范围内的净电荷密度分 布图并作出标注：别忘了(b)中对V的定义。请务必标注纵坐标并说明每一个脉 冲的量领， (d)当偏置电压为Wm的前提下，定文使得=t2时电压为-的左门限电压Vn,Vn是多 少？（如果你屋意，你可以对里Y,给出你的答案。利用对称分析能够简化计算） Vn= 第3题接下页 第3题续 (》注意：这个部分只占4分，所以不要在这果花太多时同。服设现在是一个不一样的
8 (ii) 在此偏置电压下，右边tox/2 侧的耗尽层的厚度是多少？ 耗尽层厚度=__________cm (iii) 在此偏置电压作用下，左侧即x=tox/2 侧的半导体-氧化物接触面的状态是？ □积聚 □耗尽 □反型， 因为 (iv) VTR的值是？ VTR=_______________V （c） 在给定空白处绘出当偏置电压VTR为VAB+2V时， -w/2<x<w/2 范围内的净电荷密度分 布图并作出标注；别忘了（b）中对VTR的定义。请务必标注纵坐标并说明每一个脉 冲的量级。 （d） 当偏置电压为VAB的前提下，定义使得x=tox/2 时电压为-p的左门限电压VTL。VTL是多 少？（如果你愿意，你可以对照VTR给出你的答案，利用对称分析能够简化计算） VTL=________________V 第 3 题接下页 第 3 题续 （e） 注意：这个部分只占 4 分，所以不要在这里花太多时间。假设现在是一个不一样的
S0心结构，其中左侧半导体区域排杂为n型而不是显，净携柔浓度为10©■。 (i)在给定空白处绘出热平衡也就是Vm0条件下，当/2(x(/2时的净电势： 标注纵轴，而无需计算任何耗尽层的厚度。 (i)在给定空白处绘出当其结构中WAY时静电势的简图，Y的定义和前面的 一样[参看(b)】但取值无需相等。 (iii)当YR和Wn的定义跟前面一样时，对盟新结构下V,的值，得到Y的值是 多少？（利用问愿的不对称性分新能够简化求解过程》 Vn= 第3题完 第4题(20分)
9 SOS结构，其中左侧半导体区域掺杂为n型而不是p型，净掺杂浓度为 1016 cm-3 。 （i） 在给定空白处绘出热平衡也就是VAB=0 条件下，当-w/2<x<w/2 时的净电势。 标注纵轴，而无需计算任何耗尽层的厚度。 （ii） 在给定空白处绘出当此结构中VAB=VTR时静电势的简图，VTR的定义和前面的 一样[参看（b）]但取值无需相等。 （iii） 当VTR和VTL的定义跟前面一样时，对照新结构下VTR的值，得到VTL的值是 多少？（利用问题的不对称性分析能够简化求解过程） VTL=_____________ 第 3 题完 第 4 题（20 分）
地 +2V R VOUT VCOM 05 Q6 -2V 上图所示的黄分放大器Q1和Q2是相同的询05FE可，K-1.0m作，V-0.5N,Vs■10T:Q3 和Q1是相同的m沟道05ET,K=2.0a/2,Y=0.5N,|Y.=20W:V5和v6是npm载的BJT,B=150, V-50N,VoQ.6N。当V:小千0.2V(也就是说。当m接正向偏置0.4W或更大时)BJT达到 他和，SFET的工f作条件必须达到VV-M,2V,UT要求Ie>10卫A。 (n)选择合适的使得g3和阳1中的静态漏楼电流为0.5a4. R 欧姆 (b)MOSFET管3上的静态漏源极电压Ys是多少？记住Q3上的静态漏极电流是0.5. Yos=_ 第4圈接下页 第4题续
10 上图所示的微分放大器Q1和Q2是相同的p沟道MOSFET，K=1.0mA/V2 ，VT=-0.5V，|VA|=10V；Q3 和Q4是相同的n沟道MOSFET，K=2.0mA/V 2 ，VT=0.5V，|VA|=20V；V5和V6是npn型的BJT，β=150， VA=50V，VBE,O=0.6V。当VCE小于0.2V（也就是说，当pn接正向偏置0.4V或更大时）BJT达到 饱和。MOSFET的工作条件必须达到|VGS-VT|>0.2V，BJT要求IC>10μA。 （a） 选择合适的R使得Q3和Q4中的静态漏极电流为0.5mA。 R=__________________欧姆 （b） MOSFET管Q3上的静态漏源极电压VGS是多少？记住Q3上的静态漏极电流是0.5mA。 VGS=_______________V 第4题接下页 第4题续