微电子学概论复习题及答案(详细版)

第一章绪论1．画出集成电路设计与制造的主要流程框架。2．集成电路分类情况如何？按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双极型单片集成电路按结构分类集成电路3．微电子学的特点是什么？微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m＝10－6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等4．列列举举出出你你见见到到的的、、想想到到的的不不同同类类型型的的集集成成电电路路及及其其主主要要作作用用。。集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。5．用用你你自自己己的的话话解解释释微微电电子子学学、、集集成成电电路路的的概概念念。。集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。6．简简单单叙叙述述微微电电子子学学对对人人类类社社会会的的作作用用。。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。随着微电子的发展，器件的特征尺寸越来越小第二章半导体物理和器件物理基础1．什么是半导体？特点、常用半导体材料什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物，如，GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用于光电器件、半导体激光器和微波器件。2.掺杂、施主/受主、P型/N型半导体（课件）掺杂：电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况下，是靠晶体内部原子本身的热运动提供的。常温下，硅里面由于热运动激发价健上电子而产生的电子和空穴很少，它们对硅的导电性的影响是十分微小的。室温下半导体的导电性主要由掺入半导体中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，这是半导体能够制造各种器件的重要原因。施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As（最外层有5个价电子）受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B(硼）（最外层只有3个价电子）N型半导体：n大于p（如在硅中掺入五价杂质）P型半导体：p大于n（如在硅中掺入三价杂质）3.能带、导带、价带、禁带（课件）半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子哪样连续，也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级，而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近的能级。能带之间的间隙叫禁带，一个能带到另一个能带之间的能量差称为禁带宽度。价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差4.半导体中的载流子、迁移率（课件）半导体中的载流子：在半导体中，存在两种载流子，电子以及电子流失导致共价键上留下的空位（空穴）均被视为载流子。通常N型半导体中指自由电子，P型半导体中指空穴，它们在电场作用下能作定向运动，形成电流。迁移率：单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力5.PN结，为什么会单向导电，正向特性、反向特性，PN结击穿有几种（课件）PN结：在一块半导体材料中，如果一部分是n型区，一部分是p型区，在n型区和p型区的交界面处就形成了pn结载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导性。正向特性：正向偏置时，扩散大于漂移，称为PN结的正向注入效应。反向特性：反向偏置时，漂移大于扩散,PN结的反向抽取作用。击穿：PN结反偏时，电流很小，但当电压超过临界电压时，电流会突然增大。这一临界电压称为PN结的击穿电压。PN结的正向偏压一般为0.7V，而它的反向击穿电压一般可达几十伏，击穿电压与PN结的结构及P区和P区的掺杂浓度有关。齐纳/隧道击穿：电子的隧道穿透效应在强电场的作用下迅速增加的结果。雪崩击穿:PN结反偏电压增大时，空间电荷区电场增强，通过空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得足够大的能量，当与晶格原子碰撞时可以使满带的电子激发到导带，形成电子-空穴对，这种现象成为“碰撞电离”。新的电子-空穴对又在电场作用下获得足够的能量，通过碰撞电离又产生更多的电子-空穴对，当反偏电压大到一定值后，载流子碰撞电离的倍增象雪崩一样，非常猛烈，使电流急剧增加，从而发生击穿。这种击穿是不可恢复的6.双极晶体管工作原理，基本结构，直流特性（课件）工作原理：基本结构：由两个相距很近的PN结组成mq直流特性:1.共发射极的直流特性曲线2.共基极的直流特性曲线7.MOS晶体管基本结构、工作原理、I-V方程、三个工作区的特性（课件）基本结构：属于四端器件，有四个电极。由于结构对称，在不加偏压时，无法区分器件的源和漏。源漏之间加偏压后，电位低的一端称为源，电位高的一端称为漏。工作原理：施加正电荷作用使半导体表面的空穴被排走，少子（电子）被吸引过来。继续增大正电压，负空间电荷区加宽，同时被吸引到表面的电子也增加。形成耗尽层。电压超过一定值Vt，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，反型层。I-V方程：电流-电压表达式：线性区：Isd=βp(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²三个工作区的特性：线性区(Linearregion)：VdsVgs-VtIds=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程饱和区（Saturationregion）：Vds=Vgs-VtVgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定22VtnVgsnIds截至区（Cutoff）：Vgs–Vt≤0Ids=08.MOS晶体管分类答：按载流子类型分：•NMOS:也称为N沟道，载流子为电子。•PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。按导通类型分：•增强（常闭）型：必须在栅上施加电压才能形成沟道。•耗尽（常开）型：在零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件。四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型1．载流子的输运有哪些模式？对这些输运模式进行简单的描述。答：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动2．讨论PMOS晶体管的工作原理，写出PMOS管的电流电压方程。答：PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。PMOS管I~V特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²第三章大规模集成电路基础芯片（Chip,Die）：没有封装的单个集成电路。硅片（Wafer）：包含许多芯片的大圆硅片。双极逻辑门电路类型（几种主要的）：电阻耦合型---电阻-晶体管逻辑(RTL)：二极管耦合----二极管-晶体管逻辑(DTL)晶体管耦合----晶体管-晶体管逻辑(TTL)合并晶体管----集成注入逻辑(I2L)发射极耦合逻辑(ECL)1．集成电路制造流程、特征尺寸集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装集成电路的性能指标：集成度速度、功耗（功耗延迟积，又称电路的优值。功耗延迟积越小，集成电路的速度越快或功耗越低，性能越好）特征尺寸（集成电路中半导体器件的最小尺度）可靠性集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比主要途径：缩小器件的特征尺寸、增大硅片面积缩小尺寸：0.5μm(深亚微米)~0.25~0.18μm(超深亚微米)～0.13μm增大硅片：8英寸~12英寸集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)2．CMOS集成电路特点双极型：COMS：优点是速度高、驱动能力强，功耗低、集成度高，随着特征缺点是功耗较大、集成度较低尺寸的缩小，速度也可以很高3．MOS开关、CMOS传输门特性MOS开关(以增强型NMOS为例)：VgViTClVoVo/（Vg-Vt）11Vi/（Vg-Vt）Vo=Vg-VtViVg-Vt时：输入端处于开启状态，设初始时Vo=0，则Vi刚加上时，输出端也处于开启状态，MOS管导通，沟道电流对负载电容Cl充电，直至Vo=Vi。Vi≥Vg-Vt时：输入沟道被夹断，设初始VoVg-Vt，则Vi刚加上时，输出端导通，沟道电流对Cl充电，随着Vo的上升，沟道电流逐渐减小，当Vo=Vg-Vt时，输出端也夹断，MOS管截止，Vo保持Vg-Vt不变。综上所述：ViVg-Vt时，MOS管无损地传输信号；Vi≥Vg-Vt时，Vo=Vg-Vt信号传输有损失，称为阈值损失，对于高电平’1’，NMOS开关输出端损失一个Vt；为了解决NMOS管在传输’1’电平、PMOS在传输’0’电平时的信号损失，通常采用CMOS传输门作为开关使用。它是由一个N管和一个P管构成。工作时，NMOS管的衬底接地，PMOS管的衬底接电源，且NMOS管栅压Vgn与PMOS管的栅压Vgp极性相反。Vgp=1，Vgn=0时：双管截止，相当于开关断开；Vgp=0，vgn=1时：双管有下列三种工作状态：ViVgn+VtnN管导通，ViVgp+|Vtp|P管截止，Vi通过n管对Cl充电至：Vo=ViViVgn+VtnN管导通，ViVgp+|Vtp|P管导通，Vi通过双管对Cl充电至：Vo=ViViVgn+VtnN管截止，ViVgp+|Vtp|P管导通，Vi通过P管对Cl充电至：Vo=Vi