Физика активных элементов интегральных схем

ФИЗИКА АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Методические указания и контрольные задания по дисциплине «Физика активных элементов интегральных схем. Мощные и СВЧ полупроводниковые приборы»
для студентов специальности 42 01 02 «Микроэлектроника» заочной и дистанционной форм обучения

Составители: Б.С. Колосницын, А.В. Короткевич

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Каждый студент выполняет вариант контрольного задания, номер которого соответствует порядковому номеру фамилии студента в зачетной ведомости.

Номера вопросов и задач, составляющих контрольное задание для каждого варианта, указаны в таблице.

Вопросы и задачи

1. Чем обусловлены диффузионная и барьерная емкости р-n перехода?
2. В чем трудность получения идеального омического контакта?
3. Почему лавинный пробой возникает при больших напряжениях, чем туннельный, в то время как критическая напряженность электрического поля лавинного пробоя меньше? Как изменяются величины Цр обоих типов пробоя от температуры? Почему?
4. Начертите и объясните зависимости обратного тока р-n перехода (диода) от обратного напряжения для следующих условий: а) германиевый р-n переход, толстая база; б) германиевый р-n переход, тонкая база; в) кремниевый р-n переход, толстая база; г) кремниевый р-n переход, тонкая база.
5. Как изменяются частотные свойства р-n перехода с увеличением температуры при работе с высоким и малым уровнями инжекции? Почему?
6. Объясните, почему даже при равенстве площадей эмиттера и коллектора биполярный транзистор нельзя считать полностью обратимым прибором.
7. Каково соотношение между величинами обратных токов биполярного транзистора W, 1кэо, 1кбк ? Почему?
8. Определите h-параметры по статистическим характеристикам биполярных транзисторов.
9. Напишите выражения для коэффициентов передачи тока эмиттера и коллектора одномерной теоретической модели транзистора. Что такое эффективность коллектора и каковы пути ее увеличения?
10. Опишите основные статистические параметры биполярного транзистора для трех областей его работы.
11. Объясните характер зависимости h₂i от температуры. В какой схеме включения транзистора с общей базой или с общим эмиттером этот параметр в большей степени зависит от температуры и почему?
12. Предположим, что площади эмиттера и коллектора равны. Какая из барьерных емкостей этих переходов больше и почему? Какая из этих емкостей сильнее влияет на работу транзистора и почему?
13. Объясните, что такое предельная и граничная частоты усиления по току и максимальная частота генерации. Каково соотношение между их величинами? Каковы пути их повышения?
14. Определите коэффициент инжекции, коэффициент переноса носителей через базу и коэффициент передачи тока для нормального и инверсного включения транзистора.
15. Объясните график зависимости коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера.
16. Опишите преимущества и недостатки дрейфового транзистора (по сравнению с бездрейфовым).
17. Используя энергетические диаграммы МДП-структур, объясните принцип работы р-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом.
18. Опишите эффект Эрли и два его следствия.
19. В чем причина вытеснения тока эмиттера на край эмиттера? Как "борются" с этим эффектом?
20. Почему время включения транзистора в схеме ОЭ в (P_N+1) больше, чем в схеме ОБ?
21. Что произойдет с величиной частоты отсечки (граничной частотой) биполярного транзистора при значительном увеличении плотности эмиттерного тока?
22. Опишите особенности работы полевых транзисторов (по сравнению с биполярными): управление, частотные свойства, технологичность, экономичность.
23. Из вольт-амперной характеристики, измеренной на внешних выводах реального диода с р-n переходами, следует, что при прямом токе 104 мА на
    клон характеристики равен 10,25 Ом, а при токе 10 мА напряжение (на выводах) равно 0,8 В. Рассчитайте: 1) сопротивление объема диода; 2) обратный ток насыщения.
24. Определите ток насыщения эмиттерного перехода в транзисторе, если коэффициент передачи тока a_N = 0,988, сопротивление базы г_Б = 1,1 кОм, а ток коллектора !_К = 1 мА при напряжении и_ЭБ = 0,8 В.
25. Кремниевый р-канальный МОП-транзистор с алюминиевым затвором имеет параметры: длина канала L = 5 мкм, ширина канала Z = 100 мкм, толщина подзатворного окисла SiO₂ d = 100 нм, концентрация примеси в подложке N_d = 10 см , подвижность дырок в канале ц_р = 200 см /В с, плотность поверхностных состояний N_ss = 510¹¹ cм^-2. Температура Т = 300 К. Исток соединен с подложкой и заземлен. Определите: 1) пороговое напряжение идеального МОП-транзистора; 2) крутизну S в пологой области ВАХ при ^и = 2U^.
26. Как изменится величина частоты отсечки (граничной частоты) биполярного транзистора при переходе его работы в микрорежим?
27. Опишите составляющие базового тока биполярного транзистора, дайте их определение и укажите на возможные пути уменьшения величины базового тока.
28. Как изменится величина порогового напряжения короткоканального МОП- транзистора по отношению к длинноканальному из-за близости ОПЗ стока и истока?
29. Виды пробоя МОП-транзисторов. В чем заключаются особенности пробоя короткоканального МОП-транзистора?
30. Способы ввода заряда в ПЗС.
31. Способы детектирования заряда в ПЗС.
32. Кремниевый диод. Резкий р-n переход. Концентрация примесей в эмиттере N_a = 10¹⁹ см^-3, в базе - N_d = 10¹⁶ см^-3. Толщина базы - 10 мкм, толщина эмиттера - 5 мкм. Время жизни носителей в базе Т_р = 10^-5 с, в эмиттере - T_n = 10^-8 с. Температура Т = 300 К. Площадь р-n перехода S = 10^-4 см². Определите: 1) ток насыщения, 2) барьерную емкость.
33. Полупроводниковый диод изготовлен из германия сплавлением. Эмиттер р-типа легирован бором до концентрации N_a = 10 см . База n-типа легирована фосфором до концентрации N_d = 10 см . Диффузионные длины неосновных носителей заряда в базе Lp = 2,12^.10^-2 см, в эмиттере L_n = 4,7410^-4 см. Температура Т = 300 К. Определите зависимость токов рекомбинации и генерации в области р-n перехода от напряжения I_R = f(U), Ig = f(U).
34. При напряжении на выводах кремниевого диода U = 0,8 B прямой ток I = 10 мА. Температура Т = 300 К. Сопротивление базы R = 2,5 Ом. Определите величину тока насыщения.
35. Диод с р-n переходом изготовлен из материала, для которого o_p/i_n = 12, а отношение толщин р- и n-областей равно W_n/W_p = 10. Найти отношение электронного тока к дырочному, когда диод смещен в прямом направлении
    на 0,5 В (пренебрегите эффектами сильной инжекции, сопротивлением объема и утечки).
36. Кремниевый n-канальный транзистор с поликремниевым затвором р-типа: толщина подзатворного диэлектрика d = 100 нм, длина канала L = 1,5 мкм, концентрация примеси в подложке N_a = 5'10¹⁶ см^-3; плотность поверхностных состояний N_SS = 10 см ; эффективная подвижность в канале в 2,5 раза меньше, чем в объеме. Температура Т = 300 К. Определите частоту отсечки f_T для и_ЗИ = 2и_пор.
37. Показать, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода биполярного транзистора (r_k = dUra/dI_K при 1_Э = const) с учетом эффекта Эрли равно

Rk = RкWБ(1+Pk)/(2mxdk),

где m - постоянная, равная 1/2 для резкого и 1/3 для плавного перехода, x_dk - ширина ОПЗ.

1. Кремниевый р+-п диод. Считая р-n переход резким и базу тонкой, определите отношение плотностей тока при высоком и малом уровнях инжекции для следующих условий: ширина базы - 5 мкм, удельное сопротивление базы р_Б = 0,3 Ом'см, температура Т = 300 К, диод полностью открыт, падение напряжения на базе равно нулю.
2. Кремниевый р-канальный МОП-транзистор с поликремниевым затвором

р-типа:      толщина подзатворного окисла d = 70 нм; ширина канала

Z = 40 нм; длина канала L = 4 мкм; плотность поверхностных состояний N_SS = 210¹⁰ см²; концентрация примесей в подложке N_d = 10¹⁶ см^-3; эффективная подвижность в канале в 2,5 раза меньше, чем в объеме. Температура Т = 300 К. Определите частоту отсечки f_T для и_ЗИ = 2и_пор.

1. Кремниевый диод: величина обратного тока 1_обр = 510 А, величина тока

генерации в p-n переходе I_G = 4,9810 . Температура Т = 300 К. Считая, что диод полностью открыт, определите величину прямого тока. Падением напряжения в объеме базы пренебречь.

1. Кремниевый n-канальный МОП-транзистор с алюминиевым затвором: концентрация примесей в подложке N = 510 см ; плотность поверхностных состояний N_SS = 10 см ; толщина подзатворного окисла d = 60 нм. Температура Т = 300 К; эффективная подвижность носителей в канале в 2,5 раза меньше, чем в объеме; длина канала L = 3,5 мкм. Определите граничную частоту для и_ЗИ = 2и_пор.
2. Кремниевый n-р-п транзистор: ширина базы - 5 мкм; ток коллектора 1_К = 1 мА; сопротивление базы г_Б = 200 Ом; коэффициент инжекции эмиттера Y = 0,999; время жизни неосновных носителей в базе T_n = 10 C; концентрация примеси в базе около эмиттера Nro = 10 см ; дрейфовый коэффициент m = 5; напряжение на выводах эмиттер-база и_ЭБ = 0,9 В. Температура Т = 300 К. Определите ток насыщения эмиттерного перехода.
3. Считая, что р-n переходы идеальные и все электрофизические параметры у них одинаковые, определить обратный ток кремниевого диода, если величина обратного тока аналогичного германиевого диода равна 10 А.
4. Определите входное сопротивление кремниевого биполярного транзистора на низкой частоте, включенного по схеме ОБ. Ток насыщения эмиттера b_S = 510^-13 А. Температура Т = 300 К. Эмиттерный р-n переход полностью открыт. Падением напряжения на сопротивлении базы пренебречь.
5. Кремниевый n-канальный МОП-транзистор с поликремниевым затвором n- типа: толщина подзатворного окисла d = 60 нм; ширина канала Z = 20 мкм, длина канала L = 3 мкм; плотность поверхностных состояний N_SS = 10¹⁰ cм^-2. Концентрация примеси в подложке N_a = 10¹⁶ cм^-3. Эффективная подвижность носителей в канале в 2 раза меньше, чем в объеме. Температура Т = 300 К. Определить крутизну в пологой области выходной ВАХ для ^и = 2и_шр.
6. Кремниевый диод полностью открыт, величина тока насыщения I_S = 510 A; ширина базы - 10 мкм; коэффициент диффузии неосновных носителей в базе D_p = 12 см²/с; время жизни неосновных носителей в базе Т_р=10^-6С. Температура Т = 300 К. Определить диффузионную емкость С_диф. Падением напряжения в объеме базы можно пренебречь.
7. Кремниевый n-p-n транзистор включен по схеме ОЭ, ток насыщения эмиттера b_S = 510 A; ток коллектора 1_К = 2 мА; температура Т = 300 К; эмиттерный переход полностью открыт.
8. Кремниевый n-p-n транзистор включен по схеме ОЭ, напряжение Эрли |U_A| = 80 B, коэффициент переноса носителей через базу а_т = 0,997, отношение удельных сопротивлений базы и эмиттера р_Б/р_Э = 510³, отношение ширины базы к диффузионной длине неосновных носителей в эмиттере W^_P. Определите дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для тока базы 1_Б = 10 мкА.
9. Кремниевый n-p-n транзистор включен по схеме ОЭ, концентрация примесей в базе N_a = 510 см , коэффициент передачи тока эмиттера a_N = 0,99. Считая коллекторный p-n переход резким, определите граничное напряжение ЦЬ)кэо.
10. Кремниевый n-p транзистор: эмиттерный переход полностью открыт, площадь эмиттерного перехода Б_Э = 10^-4 см, ток насыщения эмиттера b_s = 10 A, ток коллектора 1_К = 2 мА, сопротивление нагрузки R_n = 3 кОм, температура Т = 300 К. Определите коэффициент усиления по мощности на низкой частоте для двух схем включения: ОБ и ОЭ.
11. Концентрация примесей в р+-п областях кремниевого диода с резким переходом составляет N_a = 10¹⁹ см^-3, N_d = 10¹⁶ см^-3 соответственно. Ширина эмиттера равна W_Э = 5 мкм, базы - W_Б = 3 мкм. Определите контактную разность потенциалов, ширину и коэффициент инжекции р+-л перехода.
12.  Кремниевый диод с резким р+-л переходом площадью 10^-4 см² имеет равновесную концентрацию неосновных носителей в базе р_ш = 410³ см^-3, время жизни неосновных носителей в эмиттере Тр = 10^-6 с. Определите ток диода при напряжении смещения U = 0,6 В и температуре Т = 300 К, полагая, что Isn << Isp.