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 开卷 注意事项： 1,如无其他说明，假定室温且假定KT/q为0.025N。你还可以假定[(kT/q)1nl0] 近似为0.05N。 2.开卷：允许带6.012课本和笔记， 3。所有答案和任何相关的记录都必须回答在本试套上。你所交的任何附加纸张 将不予以接收。 4.作合理的近似和假设，声明和证明你所作的任何近似和假设。 5.检查确定你的试卷共包含13页，将你的姓名填写在本页顶部空白处. 6.1999年4月开始期末考试。 6012仅供评阅人使用 第一部分 (总分28分) 第二部分 (总分0分) 第三部分 (总分32分) 总分
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 开卷 注意事项： 1．如无其他说明，假定室温且假定ΚΤ/ q 为 0.025V。你还可以假定［(kT/q)ln10］ 近似为 0.06V。 2． 开卷；允许带 6.012 课本和笔记。 3． 所有答案和任何相关的记录都必须回答在本试卷上。你所交的任何附加纸张 将不予以接收。 4. 作合理的近似和假设。声明和证明你所作的任何近似和假设。 5． 检查确定你的试卷共包含 13 页，将你的姓名填写在本页顶部空白处。 6． 1999年4月开始期末考试。 6.012 仅供评阅人使用 第一部分 （总分 28 分） 第二部分 （总分 40 分） 第三部分 （总分 32 分） 总 分
题1（总分20分） 2页总12页 (a)~()部分渗及的是两个n型双极型品体管。A和B。这两个器作的外形尺寸和推柔 浓度等参数相同。但基极宽度w不回，A管的宽度是日的2倍。 ()郢个管具有更大的电流增益BF?解释你的答案并估计两管的的比率。 口入管口B管□上者皆不是，因为： 比率，版BFn (山》椰个管有更大的发射极-基极饱和电流，s了解释你的答案并估计两管，的比率， □A管□B管□上者皆不是，因为 比率，Ie√IEsm (ε)在两管有着相同的基极-集电极反偏压V的情况下，哪个管有最大的小信号基极-集电 极电容C,？解释你的答案并估计两管C,的比率。 口管口B管口上者皆不是，因为 比率CA/Cw (d)在两管有相同的静止电流1e的情况下，事个管有最大的小信号两导m?解释你的容 案并估计两管gm的比率。 口管□B管□上者皆不是，因为： 比率，8名 (©)哪个管在大集电极偏置电流时有更大的短路电流增益频率w,?解释你的答案并估计两 管e的比率。 口人管口B管 □上者皆不是，因为： 比率，所，虾，一 转下真 接上页 3页总12页
题 1（总分 20 分） 2 页 总 12 页 （a）~（f）部分涉及的是两个npn型双极型晶体管，A和B。这两个器件的外形尺寸和掺杂 浓度等参数相同，但基极宽度wB不同，A管的宽度是B的 2 倍。 (a)那个管具有更大的电流增益 ？解释你的答案并估计两管的 的比率。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： 比率， ,A/ ,B= （b）那个管有更大的发射极-基极饱和电流，IES？解释你的答案并估计两管IES的比率。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： 比率，IES,A/ IES,B= （c）在两管有着相同的基极-集电极反偏压VBC的情况下，哪个管有最大的小信号基极-集电 极电容Cµ？解释你的答案并估计两管Cµ的比率。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： 比率 Cµ，A/Cµ，B= （d）在两管有相同的静止电流 Ic 的情况下，哪个管有最大的小信号跨导 gm？解释你的答 案并估计两管 gm 的比率。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： 比率，gm，A/gm，B= （e）哪个管在大集电极偏置电流时有更大的短路电流增益频率wT？解释你的答案并估计两 管ωT的比率。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： 比率，ωT，A/ωT，B= 转下页 接上页 3 页 总 12 页
()哪个管有着更大的V,?解释你的答案。 □人管口B管口上者皆不是，因为： (g)、(j)部分涉及的是构道硅制W06管和一个沟道硅制6管，它们在外形结构和携柔 领别相同，除了栅极长度L,其中一个是另一个的二倍。参数在大信号特性时也相同(K 定义为（盾L》μ(e/t》) (g)哪个管有更长的橛极长度，为什么？ 口沟道□p沟道口上者皆不是，因为： ()这两个管的电子与空穴的比率是多少（比如，N型管中电子的迁移与P型管中空穴的 比率)了解释你的答案。 比率= 因为 ())厚个管有更大的小信号饱和桶-源电容C严？解释你的答案。 口淘道□p海道口上者皆不是，因为： )哪个管有更大的饱和概-漏电容C?解释你的答案， □n沟道□0沟道□二者皆不是，因为： ()哪个管有最小的漏-源转换时问？解释你的答案。 口沟道☐p沟道口上者皆不是，因为： 试题1结束 4页总12页
（f）哪个管有着更大的VA？解释你的答案。 A 管 B 管 二者皆不是，因为： （g）~（j）部分涉及的是n沟道硅制MOS管和一个p沟道硅制MOS管，它们在外形结构和掺杂 级别相同，除了栅极长度L，其中一个是另一个的二倍。参数K在大信号特性时也相同（K 定义为(W/L)μ(eox/tox)） （g）哪个管有更长的栅极长度，为什么？ n 沟道 p 沟道 二者皆不是，因为： （h）这两个管的电子与空穴的比率是多少（比如，N 型管中电子的迁移与 P 型管中空穴的 比率）？解释你的答案。 比率= 因为： （i）i）哪个管有更大的小信号饱和栅-源电容 Cgs？解释你的答案。 n 沟道 p 沟道 二者皆不是，因为： ii）哪个管有更大的饱和栅-漏电容 Cgd？解释你的答案。 n 沟道 p 沟道 二者皆不是，因为： （j）哪个管有最小的漏-源转换时间τtr？解释你的答案。 n 沟道 p 沟道 二者皆不是，因为： 试题1结束 4页 总12页
题2（总分20分） P-N结如下图所示。该二极管的载南面积为10，在P区净受主浓度区N,为2x10c国，在N 区净施主浓度区风，为5x10”✉.电子迁移率：e为1600个-s,空穴迁移率μh为 640c/八-s,内部载流子浓度ni为10cm,而少数载流子寿金min为10. p+ n 8 2x10 16 -3 cm-3 5 x10 cm 9 x (um) (a)该-结内置电势为多少？ fb= (b)在N型区少数载流子的散长度min是多少？ Lnin" 以下的愿目中认为在N型区和P重区中少数载流子的扩散长度要比各自区域的宽度大得 多，并且损耗层很薄可以忽略。比如mn>之W,之x (c)二极管沿着=6口■的平面被题射，产生空穴电子对/c-s。光的强度使得是在x=8μ■ 过剩空穴数量，p'(6=,是0”cm (1)此光线型射下下，短路电流是多少？ 转下页
题2（总分20分） P-N结如下图所示。该二极管的截面积为10-2 cm2 ，在P区净受主浓度区NA p为2 x 10 18 cm-3,在N 区净施主浓度区NDn，为5 x 10 16 cm-3。电子迁移率μe为1600 cm2 /V-s, 空穴迁移率μh 为 640 cm2 /V-s,内部载流子浓度ni为10 10 cm -3, 而少数载流子寿命τmin 为10 -4 s。 (a) 该P-N结内置电势Фb为多少？ fb= （b）在N型区少数载流子的扩散长度Lmin是多少？ Lmin= 以下的题目中认为在N型区和P型区中少数载流子的扩散长度要比各自区域的宽度大得 多，并且损耗层很薄可以忽略。比如Lmin >> wn, wp >> xn, xp. （c）二极管沿着X=6μm 的平面被照射，产生M空穴电子对/cm2 -s 。光的强度使得是在x=6μm 过剩空穴数量，p’(6μm)，是10 15 cm-3 。 （i）此光线照射下下，短路电流iSC是多少？ iSC= 转下页
接上页 5页总12页 (11)由于光醒所产生的过剩少数载流子在欧博接触x=9:■处复合的比率？ 在狱姆接触复合的比率： (iii)M是什么？ h (d)现在考虑将照射光线从=6μn处移至一个更找近结的陆方。 《i)短路电流是增大还是减小，为什么？ 口增大□减小口不变，因为： (ii)在什么地方黑射，短路电流is的最大？最大值是多少7 短路电流最大值的照射位置：x sc最大值为如 试愿2结束 6页总12页
接上页 5页 总12页 (ii)由于光照所产生的过剩少数载流子在欧姆接触 x=9μm处复合的比率？ 在欧姆接触复合的比率： （iii）M是什么？ M= （d）现在考虑将照射光线从x=6μm处移至一个更接近结的地方。 （i）短路电流iSC是增大还是减小，为什么？ 增大 减小 不变，因为： （ii）在什么地方照射,短路电流iSC的最大？最大值是多少？ 短路电流最大值的照射位置 iSC：x= iSC最大值为： 试题2结束 6 页 总 12 页
题三（总分20分） 一个×型05管，沟道长度L为1μ■，党度W为I0mV0.2V,V+05V, C5x10FKm2电子迁移率4为1000cmNs。 (a)该S管<0时的偏置，Vs=Vs=0V,Vs=V-02V,在0时极偏置变为l2V。 (1)当)0且所有的暂态现象趋于稳定时，在氧化物半导体交接面处的附加移动电荷 的量是多少？是空穴还是电子？ 口空穴 口电子 电荷总量： (ii)题《ai)里提到的移动电荷是从事儿来的？ (b)现在考感该MOS管最初的偏置在侧值处，之后偏置突然增加。设MOS管在a0时， Vs-Ves0V,而Vcs-V0.5V.在t0时横极偏置变为I5V. (1)当))0并且所有暂老现象趋于稳定，在氧化物半导体交接面处所有用加移动电荷 的量是多少？是空穴还是电子？ 口空穴 口电子 电荷总量： (11)思（一1）里提到的移动电荷是从罩儿来的？ (c)当V=OV时，(b》部分中的答案又会是什么？其他所有电压都相同，提示：MOS 管饱和状布时的C,为总播极电容的23， 电荷总量： (d)该问题的这一部分涉及(b)部分的暂态播极电压充电.如当桶极电压从V,充电至V十IV。 和(b)部分一样，除特殊说明，认为V=Vs=OV, (i)如果通过一个10kOhm的电阻充电，充到90%的电量需多久？ 转下到 接上页 7页总12项
题三（总分 20 分） 一个N型MOS管，沟道长度L为 1 μm ，宽度W为 10 µm, VFB=-0.2V，VT=+0.5V， Cox=5 x 10 -8 F/cm 2 电子迁移率µe 为 1000 cm 2 /V-s 。 （a）该MOS管t>0 且所有的暂态现象趋于稳定时，在氧化物半导体交接面处的附加移动电荷 的量是多少？是空穴还是电子？ 空穴 电子 电荷总量： （ii）题（a-i）里提到的移动电荷是从哪儿来的？ （b）现在考虑该MOS管最初的偏置在阈值处,之后偏置突然增加。设MOS管在t>0并且所有暂态现象趋于稳定，在氧化物半导体交接面处所有附加移动电荷 的量是多少？是空穴还是电子？ 空穴 电子 电荷总量： （ii）题（b-i）里提到的移动电荷是从哪儿来的？ （c）当VDS=10V时，（b-i）部分中的答案又会是什么？其他所有电压都相同。提示： MOS 管饱和状态时的Cgs为总栅极电容的2/3。 电荷总量： （d）该问题的这一部分涉及（b）部分的暂态栅极电压充电。如当栅极电压从VT充电至VT+1V。 和（b）部分一样，除特殊说明，认为VBS=VDS=0V。 （i）如果通过一个10kOhm的电阻充电，充到90%的电量需多久？ 转下页 接上页 7页 总12页
充到90的时间： (ii)如果通过一个100A的电流源充电，充到90%的电量需多久7 充到90的封间1 (111)如果是将概极与理思电压源（输出阳抗为0）连接充电，忽略所有导线电阻和 接触电阻，为什么栅极电压没有马上被充上去？估计一下充电时间。 速度限制过程 预计充电时间： (》如果(d)部分中的漏-源电压是10W面不是T,答案会不同。指出这样一来充电时间 是变长还是变短。为什么？该时间为多少？就（山1）部分和（山11）部分（小-i)部分分 别作答。 (i)(d-i)部分和(ii部分： 口变快 口变慢 通过一个因数大约是」 因为： (i)(d-iii): 口变快 口变慢 通过一个因数大约是 因为： 试墨3结束 8页总12页
充到90%的时间： （ii）如果通过一个100μA的电流源充电，充到90%的电量需多久？ 充到90%的时间： （iii）如果是将栅极与理想电压源（输出阻抗为 0）连接充电，忽略所有导线电阻和 接触电阻，为什么栅极电压没有马上被充上去？估计一下充电时间。 速度限制过程： 预计充电时间： （e）如果（d）部分中的漏-源电压是 10V 而不是 0V，答案会不同。指出这样一来充电时间 是变长还是变短，为什么？该时间为多少？就（d-i）部分和（d-ii）部分（d-iii）部分分 别作答。 （i）（d-i）部分和（d-ii）部分： 变快 变慢 通过一个因数大约是 因为： （i）（d-iii）： 变快 变慢 通过一个因数大约是 因为： 试题 3 结束 8 页 总 12 页
题4（总分20分） 面对口S管反相器的挑战，一个双板型晶体管制造商为适位激烈的市场竞争，开发 了一个互补双极型逻辑电路家族称为CBL。其基本结构如下图所示。上面的品体管是一 个型的BT下面的品体管为NN型的BUT,里面的两个品体管按设计成称型的并且有 相月的饱和电流和a:且两管ss一10”A和a=联=09， V+ pnp npn VOUT (a) 检查上图的电路修香在实际作为反相器使用。按黑下面所述判断每个管在低电平和 高电平输入时的状态，并判定该墨件隆否真正作为反相墨。 (i)当v-V+-V时，每个管的状态如何？Va为高还是低？并给出其估计值. 口关断 口导通 口地和，因为： NPN: 关断 口导通 口地和，国为 口高 口低， 其值为 因为 (i) 其他条件不变，Vw变为。 PNP: 口关断 口导通 口地和，因为： 转下页 接上页 9页总12页
题 4（总分 20 分） 面对CMOS管反相器的挑战,一个双极型晶体管制造商为适应激烈的市场竞争，开发 了一个互补双极型逻辑电路家族称为CBL。其基本结构如下图所示。上面的晶体管是一 个PNP型的BJT下面的晶体管为NPN型的BJT。里面的两个晶体管被设计成对称型的并且有 相同的饱和电流和a；且两管IES=ICS=10 -14 A 和aF= aR = 0.9。 （a） 检查上图的电路能否在实际作为反相器使用。按照下面所述判断每个管在低电平和 高电平输入时的状态，并判定该器件能否真正作为反相器。 （i）当vIN=V+=1V时，每个管的状态如何？vOUT为高还是低？并给出其估计值。 PNP： 关断 导通 饱和，因为： NPN： 关断 导通 饱和，因为： vOUT ： 高 低，其值为 因为 （i） 其他条件不变，vIN变为 0V。 PNP： 关断 导通 饱和，因为： 转下页 接上页 9 页 总 12 页
NPN: 口关断 口导通 口饱和，因为： VOUT 口高 口低，其值为 因为 (iD 该器件是否可实现环流功隆？解释你的答案 口是 口不是，因为 (b》利用图件的Ers-o11模型判断，当该电路中用到的NPN管的基极与发射极之间加0,6战 的电压，面集电极开路，即(0时，其集一射电压：的值，基极电流1的值，如下 图所示 1c=0 1B=7 VCE=? VBE -0.6 V la- Va= (©)在()部分中的计算可以用来估计本级的电压。但是这只是估计，因为在实际应用中 这么一个反相器将会与很多其它类似的反相器相连，如下图所示，并且当为高电平 时，集电极电流将不是0。下图中的一连串反相器表明了当左边的输入端电平为高时， 器件中电流从电源到地所流经的路径。（这有助于你在图中标出各个管的导通与关斯 情况，并判断输入输出端的电平高低。》 转下项 接上页 10页总12页
NPN： 关断 导通 饱和，因为： vOUT ： 高 低，其值为 因为 （ii） 该器件是否可实现环流功能？解释你的答案 是 不是，因为 （b）利用器件的Ebers-Moll模型判断，当该电路中用到的NPN管的基极与发射极之间加 0.6V 的电压，而集电极开路，即iC=0 时，其集—射电压VCE的值，基极电流IB的值，如下 图所示： IB= VCE= （c）在（b）部分中的计算可以用来估计本级的电压，但是这只是估计，因为在实际应用中 这么一个反相器将会与很多其它类似的反相器相连，如下图所示，并且当vIN为高电平 时,集电极电流将不是 0。下图中的一连串反相器表明了当左边的输入端电平为高时， 器件中电流从电源到地所流经的路径。（这有助于你在图中标出各个管的导通与关断 情况，并判断输入输出端的电平高低。） 转下页 接上页 10 页 总 12 页
V+ + VIN High 吉 (d)下一步我们需要考虑在输出电压为低和高时CJT反相器扇出的影响。两个扇出，如下 图所示。 V+ VIN VOUT Stage with a fan-out of two(2)】 两个扇出时，其中的低输出值（即y高时的yr》是高了还是，了？ 低输出值，口更低 口更高 口投有区别，因为 (》最后，在下面所提供的空白处，解释为什么不需要担心扇出对C然反相器的影响。 试题4结束 11到总12页
（d）下一步我们需要考虑在输出电压为低和高时 CJT 反相器扇出的影响。两个扇出，如下 图所示。 两个扇出时，其中的低输出值（即vIN高时的vOUT）是高了还是低了？ 低输出值： 更低 更高 没有区别，因为： （e）最后，在下面所提供的空白处，解释为什么不需要担心扇出对 COMS 反相器的影响。 试题 4 结束 11 页 总 12 页