19页 你的姓名 麻省理工学院 电气工程与计算机科华系 6.012微电子器件和电略 试卷二 注意： 1、除非特别指明，假定室内温度满足kT内竹为0.025V.也可近似认为kT10恤为0.06v 2、闭，允许一两页笔记（与考一起上交）。 3、所有的答案和和关笛果都色冢写在试卷上。任何其他上交的纸张均不计入成锁。 4、作合理的近似及程设，陈述并正明你做的暂设是正确的。 5、适当的注你答案中的单位。 6、请确定你是否有9页试叠和公式表，并且疏定将你的处名填在本页上面的空里。 6012评人填 第一 (占%35 第二题 (占%35) 第二恩 L(占%30) 总分
1/9 页 你的姓名______________________ 麻省理工学院 电气工程与计算机科学系 6.012 微电子器件和电路 试卷二 注意： 1、 除非特别指明，假定室内温度满足 kT/q 值为 0.025V。也可近似认为[(kT/q) ln10]值为 0.06V。 2、 闭卷，允许一两页笔记（与考卷一起上交）。 3、 所有的答案和相关结果都必须写在试卷上。任何其他上交的纸张均不计入成绩。 4、 作合理的近似及假设，陈述并证明你做的假设是正确的。 5、 适当的注意你答案中的单位。 6、 请确定你是否有 9 页试卷和公式表，并且确定将你的姓名填在本页上面的空里。 —————————————————————————————————————— 6.012 评卷人填写 第一题 （占%35） 第二题 （占%35） 第二题 （占%30） 总分
29页 第-题(35分) 现有一个n型面接触型鞋品体管。该器件设计精确，高性伦，w=2,=1%·少数 我流子扩散长度长，并Nc>》NA如2NC·己知基极，月不知道发射板和集电板。这道墨目 中包括一系列判别发射极和集电极的方法。 (@)1分发射极一基极间和集电极一基极间m结，罩个有最小的反相击穿电压？为什么？ 发射极一华极同pm蛙 口集电极一基极何pm结 Q两者一样 因为 《b)日分州个m结有最大的零偏耗尽容量：为什么 发射极一华极阿p结 u集电侵一基吸问m结 两者一样 因为 《)4分1个四结反向偏置时有效是区宽度（即基区完度调制）戒少取多？为什么 发射极一华极向pm结 集电侵一是吸问m结 两者一样 因为 算一题续见下一页 29页
2/9 页 第一题（35 分） 现有一个npn型面接触型硅晶体管，该器件设计精确，高性能，wE= 2wB，wC= 10wB，少数 载流子扩散长度长，并且NDE >> NAB >> NDC。已知基极，但不知道发射极和集电极。这道题目 中包括一系列判别发射极和集电极的方法。 (a) [4 分] 发射极－基极间和集电极－基极间 pn 结，哪个有最小的反相击穿电压？为什么？ □发射极－基极间 pn 结 □集电极－基极间 pn 结 □两者一样 因为 （b）[4 分] 哪个 pn 结有最大的零偏耗尽容量？为什么？ □发射极－基极间 pn 结 □集电极－基极间 pn 结 □两者一样 因为 （c）[4 分] 哪个 pn 结反向偏置时有效基区宽度（即基区宽度调制）减少最多？为什么？ □发射极－基极间 pn 结 □集电极－基极间 pn 结 □两者一样 因为 第一题续见下一页 2/9 页
上按第一题 《)B分将你在上面c部分这中的pm结作梨电极-基极的m结与用另个pm结作集电校 基极pm结相比。其厄利电瓜是更大还足更小？为什么？ cW吏大 V空小 D两者样 因为 《d)〔4分]当另一m结短路时，哪个pm结有最大的反相恤和电流？为什么 c发射极一基枚间m结口集电极一基极间n结口M者一样 也许你已经雀够正确地识别器件的膏得，俱是假如你的明友还没确定，怎样通过电路测试 找出相应的m结。给定的集电极加上电流1mA测元件的参数。然后，他将元 件反接。肥另一极作为集电极。再次测命参妆。 e)分愿种楼法具有行最大的骑gm为什么： c正接 口反 口两者样 因为 第一恩维绒见下一页
上接第一题 （ii）[3 分]将你在上面 c 部分选中的 pn 结作集电极－基极的 pn 结与用另一个 pn 结作集电极－ 基极 pn 结相比，其厄利电压是更大还是更小？为什么？ □|VA|更大 □|VA|更小 □两者一样 因为 （d）[4 分] 当另一 pn 结短路时，哪个 pn 结有最大的反相饱和电流？为什么？ □发射极－基极间 pn 结 □集电极－基极间 pn 结 □两者一样 因为 也许你已经能够正确地识别器件的管脚，但是假如你的朋友还没确定，怎样通过电路测试 找出相应的 pn 结。他给假定的集电极加上偏置电流 1mA,测量元件的增量参数。然后，他将元 件反接，把另一极作为集电极，再次测量参数。 （e）[4分] 哪种接法具有最大的跨导gm,为什么？ □正接 □反接 □ 两者一样 因为 第一题继续见下一页
49页 《0A分州]哪种接法具有最大的输入电阻(=1g?为什么？ a正楼 口反楼 口两者一 因为 (g)A分别舞种接法具有最大的推出电守s(=1ho?为什么？ 反接 两者一 (h)4分1种接法具有最大的扩电Cp:为什么？ 口正接 口反接 口两者一样 因为 第一渴结束
4/9 页 （f）[4分] 哪种接法具有最大的输入电阻r(＝1/g)？为什么？ □正接 □反接 □两者一样 因为 （g）[4分] 哪种接法具有最大的输出电导go(＝1/ro)？为什么？ □正接 □反接 □两者一样 因为 （h）[4分] 哪种接法具有最大的扩散电容Cp？为什么？ □正接 □反接 □两者一样 因为 第一题结束
59页 第二题(35分) )本图第一部分关于下图所示的MOS。骨极金属相对于衬成的静电势为05V,悟极 氧化物厚度L为5nm5x1心rcm.儒极（和沟道）长度L为.5m,哥极（和沟道冫完度 为1Oum。陆品片p型掺浓废No-1Pcm3. switch B 开始时衬底魅点R、需极触点D、和深极触点S连在一起，所以vs一V%一D。知网，悟极的 点与电领和开关相连。开关合直到极充电，每单位面积电龚量为0。，然后开关打 (①5分]摄极上电荷密度Q应该多大，才能使概极触点下的半导休好达到开启电压，例 如vs一VT时？ )5分]如果（行）中电流源为104，则极充电到Q需罗多长时何？ (ⅲ)[5分1除了Q,*还需找多少电荷俊加到MOSFET的机极才能使根极下反型层的电黄密度降 *-0g*= Coul/cm? 第二题继续见下页
5/9 页 第二题（35分） （a） 本题第一部分关于下图所示的MOSFET。栅极金属相对于硅衬底的静电势为0.5V，栅极 氧化物厚度tox为5nm(5 x 10-7 cm)。栅极（和沟道）长度L为0.5µm，栅极（和沟道）宽度 为10µm。硅晶片p型掺杂浓度NAp = 1017 cm3。 开始时衬底触点B、漏极触点D、和源极触点S连在一起，所以vBS = vDS = 0。如图，栅极触 点与电流源和开关相连。开关闭合直到栅极被充满电，每单位面积电荷量为QG*，然后开关打 开。 （i）[5 分] 栅极上电荷密度QG*应该多大，才能使栅极触点下的半导体恰好达到开启电压，例 如vGS ＝VT时？ QG*= Coul/cm2 （ii）[5 分] 如果（i）中电流源为 10 µA，则栅极充电到QG*需要多长时间？ T= s （iii）[5 分] 除了QG*还需要多少电荷被加到MOSFET的栅极才能使栅极下反型层的电荷密度降 到 10-7 coul/cm 2 ？ QTOT*-QG*= Coul/cm2 第二题继续见下页
6的页 上按第二题 ()4分]在(a)部分()中游板电压和开启电压之vsV提多少？ (vos-Vr)= Volt 《b)观在考感下图中有两个绝缘层并且结构上多一个橱极的情形。金属被用来构成第二个情 极，并且它的尺寸与第一个橱极一样：第二个绝缘兵以及它的厚度都与取来的元件相同。 switch G.2t. a B 上面的极G,与源极短接。Va=0,开关合上.对第一个极G1充电，直到跟(a)部分 中()里的电荷密变Q”样。概极G被充完电后，开关按新开，上面极G:和题极间加上足 够电压Vs达到稳定状态 《D分]当上部极G,如前所述被。在下菌的华标上绘出上部极与p底间的电 分。绝缘上的净电荷密度已经绘出 (x+t 第二愿埃见下页
6/9 页 上接第二题 （iv）[4分] 在（a）部分（iii）中源极电压和开启电压之差(vGS-VT)是多少？ (vGS - VT) = Volts （b） 现在考虑下图中有两个绝缘层并且结构上多一个栅极的情形。金属被用来构成第二个栅 极，并且它的尺寸与第一个栅极一样；第二个绝缘层以及它的厚度都与原来的元件相同。 上面的栅极G2与源极短接，VGS =0，开关合上，对第一个栅极G1充电，直到跟（a）部分 中（i）里的电荷密度QG*一样。栅极G1被充完电后，开关被断开，上面栅极G2和源极间加上足 够电压VGS达到稳定状态。 （i）[4 分] 当上部栅极G2如前所述被偏置，在下面的坐标轴上绘出上部栅极与p型衬底间的电 荷分布。绝缘栅上的净电荷密度已经绘出。 第二题继续见下页
7页 上接第二思 ()4分]在下边的坐标轴上绘出第二个根极G上的金属盖点和元件村底金，属笔点之间的静电 势〔x》。程定触点和懦极上金属材料相月。记生母极G:上加上仍压Vs,并且半导体处于琼定状 南、 (x) 05 -2L.n中 Back surfaw 0.5V ()4分]这计结构的平带电山是多少？给出半：电压的数值以及与Q的函数关系式。 VAF. Volts= b)4分]此都分讨论的叠层辑蛋MOSFET功能果h存储器相似。在h存储器中，电荷梭加 在元件的一个绝修糯极上，有电荷和无电荷分别代表“和”。 Q:*应该为正值还是负值才能使叠鞭M们SFET的开启电山比Q,*为浮时的值史大，并解样娘因， c正值 口负值 因为 第二趣站束
7/9 页 上接第二题 （ii）[4分] 在下边的坐标轴上绘出第二个栅极G2上的金属触点和元件衬底金属触点之间的静电 势（x）。假定触点和栅极上金属材料相同。记住栅极G2上加上偏压VGS，并且半导体处于稳定状 态。 （iii）[4分] 这种结构的平带电压是多少？给出平带电压的数值以及与QG*的函数关系式。 VFB= Volts= (b) [4分] 此部分讨论的叠层栅极MOSFET功能跟flash存储器相似。在flash存储器中，电荷被加 在元件的一个绝缘栅极上，有电荷和无电荷分别代表“1”和“0”。 QG*应该为正值还是负值才能使叠栅MOSFET的开启电压比QG*为零时的值更大。并解释原因。 □正值 □负值 因为 第二题结束
89页 算三题(30分》 下图为一个p型戏稷结型品径管的共基极结狗的大位号故大区做型.注武北结构中输入和 输出电路的基极药子共用. VCB B 在这个模型中，1r=1一(1一)/1小而月1s不是和u的函亚。 (a6分]写出两个极电流和的关干极间电压=n和vm的角数表达式. Ivm,一 Ic(VEB .VCB)= 北12分】对于故大区一个直流工作点的增量，小伯号电流和电压可近似为： =ga+公v+和”暑Vb+8Va 写出g,,,的关于直葡工作点电压和电第的近拟表达式 0 (u) (n fv) 《 第三题雎铁见下页
8/9 页 第三题（30 分） 下图为一个 npn 型双极结型晶体管的共基极结构的大信号放大区模型。注意此结构中输入和 输出电路的基极端子共用。 在这个模型中，IF＝[1－（1－vCB）/ IF0]，而且IES 不是 vEB 和vCB的函数。 (a)[6分] 写出两个极电流IF 和IF的关于极间电压vEB 和vCB的函数表达式。 IE(vEB ,vCB)＝ IC(vEB ,vCB)＝ (b)[12分] 对于放大区一个直流工作点的增量，小信号电流和电压可近似为： 和 写出gi，gr，gf，go的关于直流工作点电压和电流的近似表达式。 (i) gi： (ii) gr： (iii) gf： (iv) go： 第三题继续见下页
9面 上按黄三题 考虑将沟道型MOSFET拔咸一个二极管。下客为两种可能的接法，OSFET的K值为0.1 mAV2,V-值为1V,WA值为5V. Connection 1 《c)6分]在下而坐标轴上绘出i的关子V如的曲线，两种凌法中均满是V2D。给出两个 坐标中ipVAB)的表达式。 iplmAl 02- .2 01 VA [V] Connection Connection l (©)当Va2V,两和接法有效时，在下面的空白处绘出的小信号线性等效电路校型，并且指出 模型直流工作点处的各个参数慎。 3分别接沟： i3分]接法： 第三题结束，试乱结束
9/9 页 上接第三题 考虑将n沟道型MOSFET接成一个二极管。下图为两种可能的接法。MOSFET的K值为0.1 mA/V2，VT值为1V，|VA|值为5V。 （c）[6分] 在下面坐标轴上绘出iD的关于VAB的曲线，两种接法中均满足VAB≥0。给出两个 坐标中iD(VAB)的表达式。 (c) 当VAB≥VT两种接法有效时，在下面的空白处绘出的小信号线性等效电路模型，并且指出 模型直流工作点处的各个参数值。 (i)[3分] 接法I： (ii)[3分] 接法II： 第三题结束，试题结束