第1页共2页 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 注释！ 1,如不特球声明，假定是室温而且kTg是.25KkT/qln10=60mV,硅的 nm=1010cm-3. 2.测试的试是独立完成， 3.所有答案和有关的计算必须写在试卷上。另外交上的答题纸不计分。 4,可以做合理的假设和近似。要阐述和证明假设和近似的合理性， 5。试卷共12页，姓名写到试卷顶部指定的位置， 6.2000年7月5日后可以在13一3058房间查看成铺。 评分用 问想1 (20分) 问题2 (25分) 问想3 (28分) 间题4 (27分) 总分
第 1 页共 12 页 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 注释： 1．如不特殊声明，假定是室温而且 KT/q 是 0.025V, ，硅的 。 2．测试的试题独立完成。 3．所有答案和有关的计算必须写在试卷上。另外交上的答题纸不计分。 4。|可以做合理的假设和近似。要阐述和证明假设和近似的合理性。 5．试卷共 12 页，姓名写到试卷顶部指定的位置。 6．2000 年 7 月 5 日后可以在 13－3058 房间查看成绩。 评分用 问题 1 （20 分） 问题 2 （25 分） 问题 3 （28 分） 问题 4 （27 分） 总分
第2气共12页 1题(20分) 热身愿： a》己知一种健样品含10”cm3钟原子，5x10em圆原子。n=10cm3,在室温时，样品 处于為平衡时空穴和电子的浓度是多少？ no= cm3 Po= cm3 b)一种高品质的长基区硅二极管在核反应堆中被照射后p区和区少数载流子的寿金从10 ‘第短到10秒，二极管的饱和电流改变多少？ Igs(after) lgsibefore】 ©)1)按升序排列共射极，共基极和射极跟随器的输入阻抗，假设偏置水平1相同，： 最低 中 最高 解释： )用升序排列共源极。共栅极和源极限随墨的输入阻抗，假设偏置水平相同， 最低 最高 解释 1愿下页线转
第 2 页共 12 页 1 题（20 分） 热身题： a）已知一种硅样品含 1017 cm－3 砷原子，5x1016 cm－3 硼原子，ni＝1010 cm－3 ，在室温时，样品 处于热平衡时空穴和电子的浓度是多少？ b）一种高品质的长基区硅二极管在核反应堆中被照射后p区和n区少数载流子的寿命从 10－ 4 秒缩短到 10－8 秒，二极管的饱和电流改变多少？ c）ｉ）按升序排列共射极，共基极和射极跟随器的输入阻抗，假设偏置水平IC相同，： 最 低 中 最 高 解释： ⅱ）用升序排列共源极，共栅极和源极跟随器的输入阻抗，假设偏置水平ID相同， 最 低 中 最 高 解释： 1 题下页继续
被1题 第3页共12页 d)回答问题，最多用五个字： I)CMOS是MOSFET家族中最快的元件之一，故应用到高速微处理器中，同时， COS的一个重要应用就是在低速电路中。它用在低速电路中的优点是什么T ⅱ)在结构方面主要有哪些变化使得486处理器比386处理器速度更快（又使得奔髯处理 器比48%处理器速度更快？ 面)为什么CO8用于线性运算做大比较有优势？给出一条理由（有多个）， ©》某共射极双极型晶体管散大馨中使用的电阅。它的阻值不随温度的变化而变化，品体 管的电流增益，F,厄利电压，VA和基一射极电压，VE,ON,在室温(25C)到1O0C 之间基本不变。但当成大被如热到0C时，它的电压增盒，Av,显著下降。情解释 为什么电压增丝会发生变化，并且档计A(100℃)/A25C) Aw(100°C)/A(25C) 1框站束
接 1 题 第 3 页共 12 页 d）回答问题，最多用五个字： ｉ）CMOS 是 MOSFET 家族中最快的元件之一，被应用到高速微处理器中。同时， CMOS 的一个重要应用就是在低速电路中。它用在低速电路中的优点是什么？ ⅱ）在结构方面主要有哪些变化使得 486 处理器比 386 处理器速度更快（又使得奔腾处理 器比 486 处理器速度更快？ ⅲ）为什么 CMOS 用于线性运算放大比较有优势？给出一条理由（有多个）。 e）某共射极双极型晶体管放大器中使用的电阻，它的阻值不随温度的变化而变化，晶体 管的电流增益， ，厄利电压， 和基－射极电压， ，在室温（25 ）到 100 之间基本不变。但当放大被加热到 100 时，它的电压增益， ，显著下降。请解释 为什么电压增益会发生变化，并且估计 。 1 题结束
第4页共2页 2题(25分) 如下图所示对称p一m节二极管，NAp=N物=1O16Cr3,用整定的光照射， 在X=2wn/3的平面上均匀地产生了M空穴-电子对/c-sn区和p区的宽度wn和 wo均为6m,少子的扩散长度Leh运大于6m,电子的扩敢率e为 1600cm2/V-5,空穴的扩散率h为600cm2/V-s。与6μm相比，忽略耗尽层的宽度， M Ohmic- Ohmic p-type n-type B 101乓m3 10m31 p wn (-6um (6m) a)在下面的坐标伯上黄出整个二极管中过剩载流子的浓度，VA鼠=0.54V,M=0, n'(x).p'(x) -WP Wn b)假定低水平注入(L山)的标准认为是，过剩的少子浓度不会超过平衡时多子的浓度的 10%,那么当M0时，在LLI被破坏前VA是多大？ VAB c)现假定Vas·Q,就是将二极管短路，用光黑，M-35x10cms1.在下页的坐标轴 上面出整个二极管中的过到少子的浓度。假定p区的值如轴上所示在x·2“3。 2期下风推装
第 4 页共 12 页 2 题（25 分） 如下图所示对称 p－n 节二极管， ，用稳定的光照射， 在 的平面上均匀地产生了 M 空穴－电子对 。n 区和 p 区的宽度 和 均 为 6 ，少子的扩散长度 远大于 6 ，电子的扩散率 为 ，空穴的扩散率 为 s。与 6 相比，忽略耗尽层的宽度。 a） 在下面的坐标轴上画出整个二极管中过剩载流子的浓度， ， 。 b）假定低水平注入（LLI）的标准认为是，过剩的少子浓度不会超过平衡时多子的浓度的 10％，那么当 M=0 时，在 LLI 被破坏前 是多大？ c）现假定 ，就是将二极管短路，用光照， 。在下页的坐标轴 上画出整个二极管中的过剩少子的浓度。假定 p 区的值如轴上所示在 。 2 题下页继续
第5四共2页 接2弧 n'(x).p'(x) p'(2wn/3) 十 -Wp wn d)在下面的坐标拍上画出空穴电流密度，JH:电子电流密度，E:总电流帝度。OTL: 【)空穴电流密度： -WP ⅱ)电子电流密度： JE 十 -WP Wn 指》总电流密度： JTOTAL w P 2哪下页他埃 第6四共2四
第 5 页共 12 页 接 2 题 d）在下面的坐标轴上画出空穴电流密度， ；电子电流密度， ；总电流密度， ； ｉ）空穴电流密度： ⅱ）电子电流密度： ⅲ）总电流密度： 2 题下页继续 第 6 页共 12 页
被2愿 e)1)Pw/到是多少？ p2w/线· iⅱ)当VAa"阳时，在山被破坏前，M是多大？ 2期站束 第7页共2页
接 2 题 e）ｉ） 是多少？ ⅱ）当 时，在 LLI 被破坏前，M 是多大？ 2 题结束 第 7 页共 12 页
3题(2落分) 考感下图的两个硅器件结构 Dlc线A Device B G 15m 20m P-Si P-Si B 两个器件都是用p型硅排桑制成的，掺杂水平是107cm入，20m宽，n*区排杂10cm, n*p节是1m,氧化物薄层是16nm厚，表而是20m宽15Hm长.在器件A中n区是20m 宽5m长。向上延钟到了氧化物层的边缘，在器件B中，n*区是20m宽20m长。也 是延伸到了氧化物层的边锋，如图示。 可以假定在整个器件中电子迁移率，4。是1600m/Vs,空穴的迁移率，h。是 600cm2/Ns(在反型层中4-00cm2Vs,h-00cm2/Vs):本征载流子的密度，n,在 室温时是00c,介电常数，5h,是0柱F/em:氧化物的介电常数。o是3x101BF/cm, 顺极金属对本征S的静电势是03V )1)在室温时，当达到热平衡的情况下，P型硅对于本征硅的静电势是多少？ Electrostatic potential i)在室温时，n+P节的内置电劳是多少？ Built-in potential 3面下瓜线峡 第8页共2页
3 题（28 分） 考虑下图的两个硅器件结构： 两个器件都是用 p 型硅掺杂制成的，掺杂水平是 ，20 宽。 区掺杂 ， 节是 1 。氧化物薄层是 16 厚，表面是 20 宽 15 长。在器件 A 中 区是 20 宽 5 长，向上延伸到了氧化物层的边缘，在器件 B 中， 区是 20 宽 20 长，也 是延伸到了氧化物层的边缘，如图示。 可以假定在整个器件中电子迁移率， ，是 1600 ，空穴的迁移率， ，是 600 （在反型层中 ， ）；本征载流子的密度， ，在 室温时是 ；介电常数， ，是 ；氧化物的介电常数， ，是 ， 栅极金属对本征 的静电势是 0.3V. a）ｉ）在室温时，当达到热平衡的情况下，p 型硅对于本征硅的静电势是多少？ ⅱ）在室温时， 节的内置电势是多少？ 3 题下页继续 第 8 页共 12 页
装3题 b)对于MOS电容结构的器件A和器件B,板阿电压是多大？ VEB (Device A)= VFB (Device B) ©》其中一个器件的阅值电压的大小，|VT,是1V而另一个是4V,利用此条件和所学的知 识推断每个署件的VT的大小和符号，也瓷是说，哪个是p型硅事个是口型硅。 VT(Device A)= VT (Device B)= d)极电压VG为2V时，每一个器件的氧化物下面的半导体表面处于什么状态（积累，饱 和，还是反型层》给出氧化物一硅表而所感应出的空穴或电子的类型和它门的密度， 器件A Surface condition Carrier type and sheet concentration: 器作B: Surface condition: Carrier type and concentration: 3愿下页线峡
接 3 题 b） 对于 MOS 电容结构的器件 A 和器件 B，板间电压是多大？ c）其中一个器件的阈值电压的大小， ，是 1V,而另一个是 4V。利用此条件和所学的知 识推断每个器件的 的大小和符号，也就是说，哪个是 p 型硅哪个是 n 型硅。 d) 栅极电压 为 2V 时，每一个器件的氧化物下面的半导体表面处于什么状态（积累，饱 和，还是反型层）?给出氧化物－硅表面所感应出的空穴或电子的类型和它们的密度。 器件 A: 器件 B: 3 题下页继续
第9瓦共12页 接3题 现在考虑在动态存储单元中用这些器件作为存储电容。MOSFET是一个n沟道管子，门 槛电压VT是0.75V(忽略vBs明起的变化)，饱和时漏极电流0.I(vGs·V2mA. 0+ n-channel VAB MOSFET G 2Vo Device A or B VG e)如果开始VG佛是OV,VaE从OV增如到2VVG的值将麦为多少？ fD服设VA=2V己经稳定很长时间，在t=0时刻，VAB变为0V。在0时VG铺将怎样变 化？给出的起始值并且描述它面着时间的变化的规律， 3题站束
第 9 页共 12 页 接 3 题 现在考虑在动态存储单元中用这些器件作为存储电容。MOSFET 是一个 n 沟道管子，门 槛电压 是 0.75V(忽略 引起的变化)，饱和时漏极电流 0.1（ 。 e）如果开始 是 0V, 从 0V 增加到 2V, 的值将变为多少？ f）假设 ＝2V 已经稳定很长时间，在 t＝0 时刻， 变为 0V。在 t>0 时 将怎样变 化？给出的起始值并且描述它随着时间的变化的规律。 3 题结束
第10页共12页 4题 考虑下图所示的差动做大电路： ,+2V Ri=S 104= R3 6.4k9C 2 mA 0 VOUT 2100日 R5 05 07 4.2V 电路中的三个n沟道MOSFET是相同的：门槛电压。VT,是IV,饱和时漏极的电流是 2vs-VmA,厄利电压10V.如果cs·VT小于02V时MOSFET不会正常工作。npm 二极管(B)的正向r=100。反向PR=5,厄利电压S0V。BT的大小调整到使得 IVE.Owl·06V,IVc红sATl-Q2V,假设CS工作在中波的频率范圆内，2和R3是相同 的。 注意到原理图中电阻R4的阻值，Q4的静态集电极电流，Q3的栅极最小电压。 a)Q3上的偏置电滤(B1a)是多大，才能使符静态的输出是0VY假设Q4的静态的集电 极电流是2mA不要忘记基极电流。) IBias mA 4期下兵推装
第 10 页共 12 页 4 题 考虑下图所示的差动放大电路： 电路中的三个 n 沟道 MOSFET 是相同的；门槛电压， ，是 1V，饱和时漏极的电流是 ，厄利电压 10V。如果 小于 0.2V 时 MOSFET 不会正常工作。npn 二极管（BJTs）的正向 ＝100，反向 ＝5，厄利电压 50V。BJT 的大小调整到使得 ， ，假设 工作在中波的频率范围内，R2 和 R3 是相同 的。 注意到原理图中电阻 R4 的阻值，Q4 的静态集电极电流，Q3 的栅极最小电压。 a）Q3 上的偏置电流（ ）是多大，才能使得静态的输出是 0V?(假设 Q4 的静态的集电 极电流是 2 ,不要忘记基极电流。) 4 题下页继续