电子科技大学微电子器件习题.docx

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电子科技大学微电子器件习题

第二章PN结

填空题

1、若某突变PN结的P型区的掺杂浓度为NA=1.5×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度pp0与平衡少子浓度np0分别为（）和（）。

2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。

内建电场的方向是从（）区指向（）区。

3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。

由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。

4、PN结的掺杂浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势Vbi就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容CT就越（），雪崩击穿电压就越（）。

5、硅突变结内建电势Vbi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。

6、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。

7、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。

8、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度np与外加电压V之间的关系可表示为（）。

若P型区的掺杂浓度NA=1.5×1017cm-3，外加电压V=0.52V，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度np为（）。

9、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。

10、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。

11、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。

12、当对PN结外加正向电压时，由N区注入P区的非平衡电子一边向前扩散，一边（）。

每经过一个扩散长度的距离，非平衡电子浓度降到原来的（）。

13、PN结扩散电流的表达式为（）。

这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。

14、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。

15、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于（）。

在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（）。

16、小注入条件是指注入某区边界附近的（）浓度远小于该区的（）浓度，因此该区总的多子浓度中的（）多子浓度可以忽略。

17、大注入条件是指注入某区边界附近的（）浓度远大于该区的（）浓度，因此该区总的多子浓度中的（）多子浓度可以忽略。

18、势垒电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。

PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（）。

19、扩散电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。

正向电流越大，则扩散电容就越（）；少子寿命越长，则扩散电容就越（）。

20、在PN结开关管中，在外加电压从正向变为反向后的一段时间内，会出现一个较大的反向电流。

引起这个电流的原因是存储在（）区中的（）电荷。

这个电荷的消失途径有两条，即（）和（）。

21、从器件本身的角度，提高开关管的开关速度的主要措施是（）和（）。

22、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（）、（）和（）。

23、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（）。

24、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（）和（）。

问答与计算题

1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。

2、什么叫耗尽近似？

什么叫中性近似？

3、什么叫突变结？

什么叫单边突变结？

什么叫线性缓变结？

分别画出上述各种PN结的杂质浓度分布图、内建电场分布图和外加正向电压及反向电压时的少子浓度分布图。

4、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？

5、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。

6、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。

试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。

当正向电压较小时以什么电流为主？

当正向电压较大时以什么电流为主？

7、什么是小注入条件？

什么是大注入条件？

写出小注入条件和大注入条件下的结定律，并讨论两种情况下中性区边界上载流子浓度随外加电压的变化规律。

8、在工程实际中，一般采用什么方法来计算PN结的雪崩击穿电压？

9、简要叙述PN结势垒电容和扩散电容的形成机理及特点。

10、当把PN结作为开关使用时，在直流特性和瞬态特性这两方面，PN结与理想开关相比有哪些差距？

引起PN结反向恢复过程的主要原因是什么？

11、某突变PN结的ND=1.5×1015cm-3,NA=1.5×1018cm-3，试求nn0,pn0,pp0和np0的值，并求当外加0.5V正向电压和（-0.5V）反向电压时的np（-xp）和pn（xn）的值。

12、某突变PN结的ND=1.5×1015cm-3,NA=1.5×1018cm-3，计算该PN结的内建电势Vbi之值。

13、有一个P沟道MOSFET的衬底掺杂浓度为ND=1.5×1015cm-3，另一个N沟道MOSFET的衬底掺杂浓度为NA=1.5×1018cm-3。

试分别求这两个MOSFET的衬底费米势，并将这两个衬底费米势之和与上题的Vbi相比较。

14、某突变PN结的ND=1.5×1015cm-3,NA=1.5×1018cm-3，试问Jdp是Jdn的多少倍？

15、已知某PN结的反向饱和电流为Io=10-12A，试分别求当外加0.5V正向电压和（-0.5V）反向电压时的PN结扩散电流。

16、已知某PN结的反向饱和电流为Io=10-11A，若以当正向电流达到10-2A作为正向导通的开始，试求正向导通电压VF之值。

若此PN结存在寄生串联电阻Rcs=4Ω，则在同样的测试条件下VF将变为多少？

17、某硅单边突变结的雪崩击穿临界电场EC=3.5×105Vcm-1，开始发生雪崩击穿时的耗尽区宽度xdB=8.57μm，求该PN结的雪崩击穿电压VB。

若对该PN结外加|V|=0.25VB的反向电压，则其耗尽区宽度为多少？

18、如果设单边突变结的雪崩击穿临界电场eC与杂质浓度无关，则为了使雪崩击穿电压VB提高1倍，发生雪崩击穿时的耗尽区宽度xdB应为原来的多少倍？

低掺杂区的杂质浓度应为原来的多少倍？

19、某突变PN结的Vbi=0.7V，当外加-4.3V的反向电压时测得其势垒电容为8pF，则当外加-19.3V的反向电压时其势垒电容应为多少？

20、某突变结的内建电势Vbi=0.7V，当外加电压V=0.3V时的势垒电容与扩散电容分别是2pF和2×10-4pF，试求当外加电压V=0.6V时的势垒电容与扩散电容分别是多少？

21、某硅突变结的nA=1×1016cm-3，nD=5×1016cm-3，试计算平衡状态下的

（1）内建电势Vbi；

（2）P区耗尽区宽度xp、N区耗尽区宽度xn及总的耗尽区宽度xD；

（3）最大电场强度εmax。

22、某单边突变结在平衡状态时的势垒区宽度为xD0，试求外加反向电压应为内建电势Vbi的多少倍时，才能使势垒区宽度分别达到2xd0和3xd0。

23、一块同一导电类型的半导体，当掺杂浓度不均匀时，也会存在内建电场和内建电势。

设一块N型硅的两个相邻区域的施主杂质浓度分别为nD1和nD2，试推导出这两个区域之间的内建电势公式。

如果nD1=1×1020cm-3，

nD2=1×1016cm-3，则室温下内建电势为多少？

24、试推导出杂质浓度为指数分布N=N0exp（-x/l）的中性区的内建电场表达式。

若某具有这种杂质浓度分布的硅的表面杂质浓度为1018cm-3，λ=0.4μm，试求其内建电场的大小。

再将此电场与某突变PN结的耗尽区中最大电场作比较，该突变PN结的nA=1018cm-3，nD=1015cm-3。

25、图P2-1所示为硅PIN结的杂质浓度分布图，符号I代表本征区。

（1）试推导出该PIN结的内建电场表达式和各耗尽区长度的表达式，并画出内建电场分布图。

（2）将此PIN结的最大电场与不包含I区的PN结的最大电场进行比较。

设后者的P区与N区的掺杂浓度分别与前者的P区与N区的相同。

图P2-1

图P2-2

26、某硅中的杂质浓度分布如图P2-2所示，施主杂质和受主杂质的浓度分别为ND（x）=1016exp（-x/2×10-4）cm-3和NA（x）=NA（0）exp（-x/10-4）cm-3

（1）如果要使结深xJ=1μm，则受主杂质的表面浓度nA（0）应为多少？

（2）试计算结深处的杂质浓度梯度A的值。

（3）若将此PN结近似为线性缓变结，设Vbi=0.7V，试计算平衡时的耗尽区最大电场εmax，并画出内建电场分布图。

27、试证明在一个P区电导率σp远大于N区电导率σn的PN结中，当外加正向电压时空穴电流远大于电子电流。

28、已知nI2=NCNVexp（-eG/kT）=CkT3exp（-eG0/kT），式中nC、nV分别代表导带底、价带顶的有效状态密度，eG0代表绝对零度下的禁带宽度。

低温时反向饱和电流以势垒区产生电流为主。

试求反向饱和电流I0与温度的关系，并求I0随温度的相对变化率（dI0/dT）/I0，同时画出电压一定时的I0~T曲线。

29、某P+N-N+结的雪崩击穿临界电场εc为32V/μm，当N-区的长度足够长时，击穿电压VB为144V。

试求当N-区的长度缩短为3μm时的击穿电压为多少？

30、已知某硅单边突变结的内建电势为0.6V，当外加反向电压为3.0V时测得势垒电容为10pF，试计算当外加0.2V正向电压时的势垒电容。

31、某结面积为10-5cm2的硅单边突变结，当（Vbi-V）为1.0V时测得其结电容为1.3pF，试计算该PN结低掺杂一侧的杂质浓度为多少？

32、某PN结当正向电流为10mA时，室温下的小信号电导与小信号电阻各为多少？

当温度为100°C时它们的值又为多少？

33、某单边突变P+N结的N区杂质浓度nD=1016cm-3，N区少子扩散长度Lp=10μm，结面积A=0.01cm2，外加0.6V的正向电压。

试计算当N区厚度分别为100μm和3μm时存储在N区中的非平衡少子的数目。

第三章双极结型晶体管

填空题

1、晶体管的基区输运系数是指（）电流与（）电流之比。

由于少子在渡越基区的过程中会发生（），从而使基区输运系数（）。

为了提高基区输运系数，应当使基区宽度（）基区少子扩散长度。

2、晶体管中的少子在渡越（）的过程中会发生（），从而使到达集电结的少子比从发射结注入基区的少子（）。

3、晶体管的注入效率是指（）电流与（）电流之比。

为了提高注入效率，应当使（）区掺杂浓度远大于（）区掺杂浓度。

4、晶体管的共基极直流短路电流放大系数α是指发射结（）偏、集电结（）偏时的（）电流与（）电流之比。

5、晶体管的共发射极直流短路电流放大系数β是指（）结正偏、（）结零偏时的（）电流与（）电流之比。

6、在设计与制造晶体管时，为提高晶体管的电流放大系数，应当（）基区宽度，（）基区掺杂浓度。

7、某长方形薄层材料的方块电阻为100Ω，长度和宽度分别为300μm和60μm，则其长度方向和宽度方向上的电阻分别为（）和（）。

若要获得1kΩ的电阻，则该材料的长度应改变为（）。

8、在缓变基区晶体管的基区中会产生一个（），它对少子在基区中的运动起到（）的作用，使少子的基区渡越时间（）。

9、小电流时α会（）。

这是由于小电流时，发射极电流中（）的比例增大，使注入效率下降。

10、发射区重掺杂效应是指当发射区掺杂浓度太高时，不但不能提高（），反而会使其（）。

造成发射区重掺杂效应的原因是（）和（）。

11、在异质结双极晶体管中，发射区的禁带宽度（）于基区的禁带宽度，从而使异质结双极晶体管的（）大于同质结双极晶体管的。

12、当晶体管处于放大区时，理想情况下集电极电流随集电结反偏的增加而（）。

但实际情况下集电极电流随集电结反偏增加而（），这称为（）效应。

13、当集电结反偏增加时，集电结耗尽区宽度会（），使基区宽度（），从而使集电极电流（），这就是基区宽度调变效应（即厄尔利效应）。

14、IES是指（）结短路、（）结反偏时的（）极电流。

15、ICS是指（）结短路、（）结反偏时的（）极电流。

16、ICBO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。

17、ICEO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。

18、IEBO是指（）极开路、（）结反偏时的（）极电流。

19、BVCBO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的VCB。

20、BVCEO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的VCE。

21、BVEBO是指（）极开路、（）结反偏，当（）→∞时的VEB。

22、基区穿通是指当集电结反向电压增加到使耗尽区将（）全部占据时，集电极电流急剧增大的现象。

防止基区穿通的措施是（）基区宽度、（）基区掺杂浓度。

23、比较各击穿电压的大小时可知，BVCBO（）BVCEO，BVCBO（）BVEBO。

24、要降低基极电阻rbb'，应当（）基区掺杂浓度，（）基区宽度。

25、无源基区重掺杂的目的是（）。

26、发射极增量电阻re的表达式是（）。

室温下当发射极电流为1mA时，re=（）。

27、随着信号频率的提高，晶体管的αω,βω的幅度会（），相角会（）。

28、在高频下，基区渡越时间τb对晶体管有三个作用，它们是：

（）、（）和（）。

29、基区渡越时间τb是指（）。

当基区宽度加倍时，基区渡越时间增大到原来的（）倍。

30、晶体管的共基极电流放大系数|αω|随频率的（）而下降。

当晶体管的|αω|下降到（）时的频率，称为α的截止频率，记为（）。

31、晶体管的共发射极电流放大系数|βω|随频率的（）而下降。

当晶体管的|βω|下降到

β0时的频率，称为β的（），记为（）。

32、当f>>fβ时，频率每加倍，晶体管的|βω|降到原来的（）；最大功率增益Kpmax降到原来的（）。

33、当（）降到1时的频率称为特征频率fT。

当（）降到1时的频率称为最高振荡频率fM。

34、当|βω|降到（）时的频率称为特征频率fT。

当Kpmax降到（）时的频率称为最高振荡频率fM。

35、晶体管的高频优值M是（）与（）的乘积。

36、晶体管在高频小信号应用时与直流应用时相比，要多考虑三个电容的作用，它们是（）电容、（）电容和（）电容。

37、对于频率不是特别高的一般高频管，τec中以（）为主，这时提高特征频率fT的主要措施是（）。

38、为了提高晶体管的最高振荡频率fM，应当使特征频率fT（），基极电阻rbb'（），集电结势垒电容CTC（）。

39、对高频晶体管结构上的基本要求是：

（）、（）、（）和（）。

问答与计算题

1、画出NPN晶体管在饱和状态、截止状态、放大状态和倒向放大状态时的少子分布图。

画出NPN晶体管在饱和状态、截止状态、放大状态和倒向放大状态时的能带图。

2、画出共基极放大区晶体管中各种电流的分布图，并说明当输入电流Ie经过晶体管变成输出电流IC时，发生了哪两种亏损？

3、倒向晶体管的电流放大系数为什么小于正向晶体管的电流放大系数？

4、提高基区掺杂浓度会对晶体管的各种特性，如γ、α、β、CTE、BVEBO、Vpt、VA、rbb'等产生什么影响？

5、减薄基区宽度会对晶体管的上述各种特性产生什么影响？

6、先画出双极晶体管的理想的共发射极输出特性曲线图，并在图中标出饱和区与放大区的分界线，然后再分别画出包括厄尔利效应和击穿现象的共发射极输出特性曲线图。

7、画出包括基极电阻在内的双极型晶体管的简化的交流小信号等效电路。

8、什么是双极晶体管的特征频率fT？

写出fT的表达式，并说明提高fT的各项措施。

9、写出组成双极晶体管信号延迟时间τec的4个时间的表达式。

其中的哪个时间与电流Ie有关？

这使fT随Ie的变化而发生怎样的变化？

10、说明特征频率fT的测量方法。

11、什么是双极晶体管的最高振荡频率fM？

写出fM的表达式，说明提高fM的各项措施。

12、画出高频晶体管结构的剖面图，并标出图中各部分的名称。

13、某均匀基区NPN晶体管的WB=1μm,DB=20cm2s-1，试求此管的基区渡越时间τb。

当此管的基区少子电流密度JnE=102Acm-2时，其基区少子电荷面密度QB为多少？

14、某均匀基区晶体管的WB=2μm,LB=10μm，试求此管的基区输运系数β*之值。

若将此管的基区掺杂改为如式（3-28）的指数分布，场因子η=6，则其β*变为多少？

15、某均匀基区NPN晶体管的WB=2μm,NB=1017cm-1,DB=18cm2s-1,τB=5×10–7s，试求该管的基区输运系数β*之值。

又当在该管的发射结上加0.6V的正向电压，集电结短路时，该管的JnE和JnC各为多少？

16、某均匀基区晶体管的注入效率γ=0.98，若将其发射结改为异质结，使基区的禁带宽度eGB比发射区的禁带宽度eGE小0.08eV，则其注入效率γ变为多少？

若要使其γ仍为0.98，则其有源基区方块电阻R□B1可以减小到原来的多少？

17、某双极型晶体管的R□B1=1000Ω,R□E=5Ω，基区渡越时间τb=10–9s,当IB=0.1mA时,IC=10mA，求该管的基区少子寿命τb。

18、某晶体管的基区输运系数β*=0.99，注入效率γ=0.97，试求此管的α与β。

当此管的有源基区方块电阻R□B1乘以3，其余参数均不变时，其α与β变为多少？

19、某双极型晶体管当IB1=0.05mA时测得IC1=4mA，当IB2=0.06mA时测得IC2=5mA，试分别求此管当

IC=4mA时的直流电流放大系数β与小信号电流放大系数βO。

20、某缓变基区NPN晶体管的BVCBO=120V，β=81，试求此管的BVCEO。

21、某高频晶体管的fβ=5MHz，当信号频率为f=40MHz时测得其|βω|=10，则当f=80MHz时|βω|为多少？

该管的特征频率fT为多少？

该管的β0为多少？

22、某高频晶体管的β0=50，当信号频率f为30MHz时测得|βω|=5，求此管的特征频率fT，以及当信号频率f分别为15MHz和60MHz时的|βω|之值。

23、某高频晶体管的基区宽度WB=1μm，基区渡越时间τb=2.7×10-10s,fT=550MHz。

当该管的基区宽度减为0.5μm，其余参数都不变时，fT变为多少？

24、某高频晶体管的fβ=20MHz，当信号频率为f=100MHz时测得其最大功率增益为Kpmax=24，则当f=200MHz时Kpmax为多少？

该管的最高振荡频率fM为多少？

25、画出NPN缓变基区晶体管在平衡时和在放大区、饱和区及截止区工作时的能带图。

26、画出NPN缓变基区晶体管在平衡时和在放大区、饱和区及截止区工作时的少子分布图。

27、某晶体管当IB1=0.05mA时测得IC1=4mA，当IB2=0.06mA时测得IC2=5mA，试分别求此管当IC=4mA时的直流电流放大系数β与增量电流放大系数β0。

28、已知某硅NPN均匀基区晶体管的基区宽度WB=2μm，基区掺杂浓度nB=5×1016cm-3，基区少子寿命

tB=1μs，基区少子扩散系数DB=15cm2s-1，以及从发射结注入基区的少子电流密度JnE=0.1A/cm2。

试计算基区中靠近发射结一侧的非平衡少子电子浓度nB（0）、发射结电压VBE和基区输运系数β*。

29、已知某硅NPN缓变基区晶体管的基区宽度WB=0.5μm，基区少子扩散系数DB=20cm2s-1，基区自建场因子η=20，试计算该晶体管的基区渡越时间tb。

30、对于基区和发射区都是非均匀掺杂的晶体管，试证明其注入效率γ可表为

上式中，QEO和QBO分别代表中性发射区和中性基区的杂质电荷总量，De和DB分别代表中性发射区和中性基区的少子有效扩散系数。

31、已知某硅NPN均匀基区晶体管的基区宽度WB=0.7μm，基区掺杂浓度nB=1017cm-3，基区少子寿命

tB=10-7s，基区少子扩散系数DB=18cm2s-1，发射结注入效率γ=0.995，发射结面积Ae=104μm2。

表面和势垒区复合可以忽略。

当发射结上有0.7V的正偏压时，试计算该晶体管的基极电流IB、集电极电流IC和共基极电流放大系数α分别等于多少？

32、已知某硅NPN均匀基区晶体管的基区宽度WB=0.5μm，基区掺杂浓度nB=4×1017cm-3，基区少子寿命

tB=10-6s，基区少子扩散系数DB=18cm2s-1，发射结面积Ae=10-5cm2。

（1）如果发射区为非均匀掺杂，发射区的杂质总数为QEO/q=8×109个原子，发射区少子扩散系数De=2cm2s-1，试计算此晶体管的发射结注入效率γ。

（2）试计算此晶体管的基区输运系数β*。

（3）试计算此晶体管的共发射极电流放大系数β。

（4）在什么条件下可以按简化公式

来估算β？

在本题中若按此简化公式来估算β，则引入的百分误差是多少？

33、在N型硅片上经硼扩散后，得到集电结结深xjc=2.1μm，有源基区方块电阻R□B1=800Ω，再经磷扩散后，得发射结结深xje=1.3μm，发射区方块电阻R□e=10Ω。

设基区少子寿命tB=10-7s，基区少子扩散系数DB=15cm2s-1，基区自建场因子η=8，试求该晶体管的电流放大系数α与β分别为多少？

34、在材料种类相同，掺杂浓度分布相同，基区宽度相同的条件下，PNP晶体管和NPN晶体管相比，哪种晶体管的发射结注入效率γ较大？

哪种晶体管的基区输运系数β*较大？

35、已知某硅NPN均匀基区晶体管的基区宽度WB=2.5μm，基区掺杂浓度nB=1017cm-3，集电区掺杂浓度

nC=1016cm-3，试计算当VCB=0时的厄尔利电压VA的值。

36、有人在测晶体管的ICEO的同时，错误地用一个电流表去测基极与发射极之间的浮空电势，这时他声称测到的ICEO实质上是什么？

37、某高频晶体管的fβ=20MHz，当信号频率f=100MHz时测得其最大功率增益Kpmax=24。

试求：

（1）该晶体管的最高振荡频率fM。

（2）当信号频率f为200MHz时该晶体管的Kpmax之值。

38、某硅NPN缓变基区晶体管的发射区杂质浓度近似为矩形分布，基区杂质浓度为指数分布，从发射结处的nB（0）=1018cm-3，下降到集电结处的nB（WB）=5×1015cm-3，基区宽度WB=2μm，基区少子扩散系数DB=12cm2/s，基极电阻Rbb'=75Ω，集电区杂质浓度nC=1015cm-3，集电区宽度WC=10μm，发射结面积Ae和集电结面积AC均为

5×10-4cm2。

工作点为：

Ie=10mA，VCB=6V。

（正偏的势垒电容可近似为零偏势垒电容的2.5倍。

）试计算：

（1）该晶体管的四个时间常数teb、tb、tD、tc，并比较它们的大小；

（2）该晶体管的特征频率fT；

（3）该晶体管当信号频率f=400MHz时的最大功率增益Kpmax；

（4）该晶体管的高频优值M；

（5）该晶体管的最高振荡频率fM。

39、在某偏置在放大区的NPN晶体管的