姓名 麻省理工学院 电子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 注意事项： 1.除非特殊说明，否则军假定是处于室温环境下。/g是0.025Y. 2.试卷的各个部分相互独立，可单独作答。 3,你所有的答案及其相关的工作必须写在答思纸上，你所交上来的其他的纸张 不会被记入成绩。 4,允许进行合理的取近似值成进行假设，必须正确闸明所进行近蚁和假设的理 由。 5.要确保自己有15张试卷。务必把名字写在卷子项部空白处： 6,12月2日，周五早上9点后，就可以得到自己的成镜。最终考试的开始于 1996年1月8日 仅供阅参人员使用 题1 题2 3 题4 题5 总分
姓名___________________________________ 麻省理工学院 电子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 注意事项： 1．除非特殊说明，否则都假定是处于室温环境下。Kt/q 是 0.025V。 2．试卷的各个部分相互独立，可单独作答。 3．你所有的答案及其相关的工作必须写在答题纸上，你所交上来的其他的纸张 不会被记入成绩。 4．允许进行合理的取近似值或进行假设。必须正确阐明所进行近似和假设的理 由。 5．要确保自己有 15 张试卷。务必把名字写在卷子顶部空白处。 6．12 月 22 日，周五早上 9 点后，就可以得到自己的成绩。最终考试的开始于 1996 年 1 月 8 日 仅供阅卷人员使用 题 1_______________ 题 2_______________ 题 3_______________ 题 4_______________ 题 5_______________ 总分
题一：(20分) 热身题，每题两分： 》一个种化像的样本，其品格中的修被锌原子所督代。锌原子的浓度为10每立方属米， 确被浓度为5×10“每立方厘米的晒原子所代。该种化探的样本在300K的条件下，的 值为10每立方厘米。 )在室温下，该样品中的平衡载流子的浓度。a分别是多少？ )在室温下，该碑化镓样本内部的静电电势是多少 b)一个N型硅样本(e=1500/-s,h=600e/y-s,n=10cm),其平衡载流子浓度为 n0c■l0cn’。该样品被强光照射后，会在其内部产生C空穴-电子对。此时 n'=m”=10cm2 i) 该样品的热平衡电导率是多少？ 0= ii) 被题样品的电导率是多少？ ii)n”,p'与G的近似关系是什么？并阐述理由 n.puG p GG .p G 理由
题一：（20 分） 热身题, 每题两分: a) 一个砷化镓的样本，其晶格中的镓被锌原子所替代，锌原子的浓度为 1016每立方厘米， 砷被浓度为 5×1016每立方厘米的硒原子所代替。该砷化镓的样本在 300K的条件下，ni的 值为 107 每立方厘米。 i) 在室温下，该样品中的平衡载流子的浓度，n0,p0分别是多少？ n0=____________________ p0 =___________________ ii) 在室温下，该砷化镓样本内部的静电电势是多少 =____________________ b) 一个N型硅样本（e=1500cm2 /v-s,h=600cm2 /v-s,ni=10 10 cm-3）,其平衡载流子浓度为 n0=1015 cm-3 ,p0=10 15 cm-3。该样品被强光照射后，会在其内部产生G空穴-电子对。此时 n’=p’=1017cm-3. i) 该样品的热平衡电导率是多少？ O=__________________ ii) 被照样品的电导率是多少？ =__________________ iii) n’，p’与 G 的近似关系是什么？并阐述理由 n' ， ' p µ G n' ， ' p 2 µG µ G n' ， ' p 2 µG 理由
C)当我们在一个双极型的集成电路中需要一个二极管封，我们可以使用NP%型晶体管的其 中一个结就可以了。假设一个双极型品体管(BJT),N-10N100%, =-0.22,0=2.5h,1-1心1w,F=100。 )哪个结应该用米获得最大的反向击穿电压，原因是什么？ 发射极-基极 集电极一基极， 原因： ii) 在Q6N的正向偏置下，事个结的少数载流子存储最大，？解释你的答案。 发射极-基极 集电极一基极， 原因： )如果发射极-基极结正白偏置，且集电极输出端开路，都集电极-基极结上的偏置类 型是什么？ 正向偏置反向偏置零偏置原因： )你负责一个0灯5制作流水线，你发现了一个码题：N沟道和P沟道的圆值电压本应分别 为+1和-1V,但实际上分别为+3V和+1Y。你怀疑是硅与0面厚的氧化物的接触而被离 子所污染。 》每个品体管在新的阀值电压下将属于何种类型？ P为道SF:增强型耗尽型 N为道SFT:增强型耗尽型 11) 如果你要确定是离子明起的这个问题。符号是正还是负呢？它们的面密度是多少？ 0-3.5x10℉/c■ 正负 面密度=
c) 当我们在一个双极型的集成电路中需要一个二极管时，我们可以使用NPN型晶体管的其 中 一 个 结 就 可 以 了 。 假 设 一 个 双 极 型 晶 体 管 （ BJT ）， NDE=10 NAB=100NDC ， WE=WB=0.2WC,e=2.5h,Ics=102 IES,F=100。 i) 哪个结应该用来获得最大的反向击穿电压，原因是什么？ 发射极-基极 集电极-基极， 原因： ii) 在 0.6V 的正向偏置下，哪个结的少数载流子存储最大，？解释你的答案。 发射极-基极 集电极-基极， 原因： iii) 如果发射极-基极结正向偏置，且集电极输出端开路，那集电极-基极结上的偏置类 型是什么？ 正向偏置 反向偏置 零偏置 原因： d) 你负责一个 CMOS 制作流水线，你发现了一个问题：N 沟道和 P 沟道的阈值电压本应分别 为+1 和-1V，但实际上分别为+3V 和+1V。你怀疑是硅与 40nm 厚的氧化物的接触面被离 子所污染。 i) 每个晶体管在新的阈值电压下将属于何种类型？ P 沟道 MOSFET：增强型 耗尽型 N 沟道 MOSFET：增强型 耗尽型 ii) 如果你要确定是离子引起的这个问题，符号是正还是负呢？它们的面密度是多少？ OX=3.5X10-13F/cm 正 负 面密度=______________cm-2
题2(20分》 你使用过如下图所示的电路来观察在美用二极管时的瞬态特性。在该愿中，你要来应用该电 路来观黎接通二极管时的特性。使用的二极管是解态+一p二极管， N=I0"cmN=I0cn,少数载流子在二极管N区的寿衡h为10。在P区e为10s。在整个 二极管中：e-140c量/w-s,山-60c/y-s.n-10”cm.si-10午/cn横截面积是 1cm:W.-0.5a.W。-5a. 《原文符号有误) ip(t) VR A VAB(t) )在二极管的P-结处，少数载流子的扩散长度是多少？P-结处的的内置电势b是多 少？T/a1n10-0N.(原文荐号有误) 区：= P区：L习 该圈的其他问愿都假定二极管是肖特基二极管模型，并与上面回答的问题无关。 b)已知在没有偏压的情况下(V0)该二极管的耗尽层的总宽度为0.32。那么相 应的在N区和P区的耗尽层的宽度又分别是多少？ X.(VAH-0)= Xp (VAB=0)=
题 2（20 分） 你使用过如下图所示的电路来观察在关闭二极管时的瞬态特性。在该题中，你要来应用该电 路来观察接通二极管时的特性。使用的二极管是 瞬 态 n+-p 二 极 管 ， NDn=1018 cm -3,NAp=1016cm-3.少数载流子在二极管N区的寿命h为 10 -8 。在P区e为 10-6 s。在整个 二极管中： µe=1440cm 2 /v-s, µh=640cm2 /v-s,ni=10 10 cm-3 ,si=10-12F/cm, 横截面积是 1cm 2 ;Wn=0.5m,Wp=5m。 (原文符号有误) a) 在二极管的P-N结处，少数载流子的扩散长度是多少？P-N结处的的内置电势b是多 少？KT/qln10=60mV.（原文符号有误） N区:Lh=_________________ P区:Le=_________________ b=___________________ 该题的其他问题都假定二极管是肖特基二极管模型，并与上面回答的问题无关。 b) 已知在没有偏压的情况下（VAB=0）该二极管的耗尽层的总宽度为0.32mm。那么相 应的在N区和P区的耗尽层的宽度又分别是多少？ Xn（VAB=0）=______________ Xp（VAB=0）=______________
c)在t(0时刻，开关拨到R位置，此时二极管是反向偏置的.当Va6VR-lK时，i心和 Vm分别是多少？请给出准确数植，忽略与W,和W,有关的耗尽层宽度。 VAB= 山在部分所给的反向偏置作用下，二极管耗尽层所包含的电荷量Q是多少？《如果不 能解答出C部分，那么可以在假设偏压为V,的情况下米回答该题及以下部分) Q-_ ©)在10时刻，开关找向F位置，此时VN,R1K。且t>》0时，二极管正向偏压。 )当=0时刻后的解间，二极管的压降Va《0什)是多少？ Vu(0+)= 1)当t=0时刘后的铜同，流过二极管的电流(0+)是多少？ i60+)-
c) 在t>0时，二极管正向偏压。 i)当t=0时刻后的瞬间，二极管的压降VAB（0+）是多少？ VAB（0+）=_______________ ⅱ）当t=0时刻后的瞬间，流过二极管的电流iD(0+)是多少？ iD(0+)=________________
111)当t>0时，二极管的压降V约是多少？ Va (t>>0) 1v)用你上面所求得的近叙电压值VA灿(t)0)来算出在t》0时二极管的电流值i: p(t)0) V)用所求得的i:(t>0)来精确求出V■(t>>0》。如果不能解出上题，则可以用L:来表示出 结果，其中1ri(t0) Va(t》>0) v1)在从t=到t>0的某一时刻，Y.为0，用在恩e的第二问和第四问的所求得的答案米求出 t的值（两个要素都要考虑到）， vii)用不超过25个字来解释当t》t时刻的瞬间所发生的现象，其中t:是在愿的第五问中求 得的
iii)当t>>0时，二极管的压降VAB约是多少？ VAB（t>>0）______________ iv)用你上面所求得的近似电压值VAB（t>>0）来算出在t>>0时二极管的电流值iD iD（t>>0）______________ v)用所求得的iD（t>>0）来精确求出VAB（t>>0）。如果不能解出上题，则可以用I2来表示出 结果，其中I2= iD（t>>0） VAB（t>>0）_______________ vi)在从t=0到t>>0的某一时刻t1，VAB为0。用在题e的第二问和第四问的所求得的答案来求出 t1的值（两个要素都要考虑到）。 t1 ____________________ vii)用不超过25个字来解释当t> t1时刻的瞬间所发生的现象，其中t1是在题e的第五问中求 得的
题3(20分) 已知知下的一个5电容器的心-V美系由线，该曲线是在承自己设计加工的芯片上测得 的。该0区电容器的的尺寸为-200m,1.-200.横极金属是P型多品硅，且严P.0.55. s10F/cn.C.=3.5X10F/cn n10"cm,(kT/q)Ln10-60mV. Vaa )计算这个器件的阀值电压和平带电压 V V b)说出这个半导体的摻桑类型，并计算出净摻杂浓度。提示：要考虑到平蒂电压。 Type:n-typep-type NA成NF C)氧亿层的厚度L.是多少拿
题3（20分） 已知如下的一个MOS电容器的C-V关系曲线，该曲线是在你自己设计加工的芯片上测得 的。该MOS电容器的的尺寸为W=200mm,L=200mm。栅极金属是P+ 型多晶硅，且m= P+=-0.55V. 假设si=10-12F/cm,Cox=3.5X10-13F/cm,ni=1010cm-3,（kT/q）Ln10=60mV。 a) 计算这个器件的阈值电压和平带电压 VT=________________ VFB=________________ b) 说出这个半导体的掺杂类型，并计算出净掺杂浓度。提示：要考虑到平带电压。 Type:_______n-type______p-type NA或ND=_______________ c) 氧化层的厚度tox是多少？ tox=______________________________
山)如果播极材料从P多品硅变为X多品硅，那么所测量到的由线将该如何变化？假设 =0.55r。答案仅限25个字左右， )以上核测量的带有电容器的芯片还包含有一个加SFE可电路。不幸的是，这个电路的 阀值电压拨设计为V,0.Y,该电压比V,的实值要高。你能够设计一种操作流程 (不要重新设计一套电路)来测试这个电路的功能马？请准确给出你的方法，字数 不多千25字. )这个芯片的其中一个电路是S反相器如下图所示 VoD n-channel depl-mode n-channd enh-mode VOUT VIN 在上面的所示电路中，给每一个件增如基底的端子。说明，如果如在增型 器件上的Vs是零，应该如何连接？
d) 如果栅极材料从P+ 多晶硅变为N+ 多晶硅，那么所测量到的曲线将该如何变化？假设 n+=0.55v。答案仅限25个字左右。 e) 以上被测量的带有电容器的芯片还包含有一个MOSFET电路。不幸的是，这个电路的 阈值电压被设计为VT=0.2V，该电压比VT的实际值要高。你能够设计一种操作流程 （不要重新设计一套电路）来测试这个电路的功能吗？请准确给出你的方法，字数 不多于25字。 f) 这个芯片的其中一个电路是NMOS反相器如下图所示 i) 在上面的所示电路中，给每一个器件增加基底的端子。说明，如果加在增强型 器件上的VBS是零，应该如何连接？
)在下面的所给空白出，通出该电路的增登等效电路因。要适用于在小信号运行条 件下运行，且在度偏置点上两个品体管均处于德和区
ii) 在下面的所给空白出，画出该电路的增益等效电路图，要适用于在小信号运行条 件下运行，且在该偏置点上两个晶体管均处于饱和区
题4(20分) 如下图不同的放大电路所示。所有的品体管都是相同的。电流放大倍数=5， IV50V,Veow0.6V,V年.02V。(原文少符号) 110W 3k 3 VOUT w 5k VOUT2 R VIN2 He=6 mA 0 0 10V a)求出R的值，要注意16A: R阳 b)求出电路中每个品体管处于静药工作状态时的V年的值，（程设V1N,=YI0) Q:Ven= Q2:Var Q:Va- Q:VCE=
题4（20分） 如下图不同的放大电路所示，所有的晶体管都是相同的，电流放大倍数 =75， |VA|=50V，VBE，ON=0.6V，VCE，sat=0.2V。（原文少符号） a) 求出R的值，要注意I0=6mA。 R=_____________ b) 求出电路中每个晶体管处于静态工作状态时的VCE的值，（假设VIN1=VIN2=0） Q1：VCE1=_______________ Q2:VCE2= ________________ Q3:VCE3= ________________ Q4:VCE4= ________________