(微电子器件与IC设计基础第二版)_刘刚 等编著习题解-5

微电子技术基础全册习题解答第1章习题解答1．微电子学主要以半导体材料的研究为基础，以实现电路和系统的集成为目的，构建各类复杂的微小化的芯片，其涵盖范围非常广泛，包括各类集成电路（Integrated Circuit，IC）、微型传感器、光电器件及特殊的分离器件等。

2．数字集成电路、模拟集成电路、数模混合集成电路。

3．设计、制造、封装、测试。

4．微机电系统是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的系统。

典型应用包括微加速度计、微磁力计、微陀螺仪等。

第2章习题解答1．（100）平面：4.83Å，（110）平面：6.83Å2．略。

3．略。

4．硅的原子密度约为5×1022/cm3，硅外层有四个价电子，故价电子密度为2×1023/cm3 5．N型掺杂杂质：P、As、Sb，P型掺杂杂质：B、Al、Ga、In6．As有5个价电子，为施主杂质，形成N型半导体7．当半导体中同时存在施主和受主杂质时，会发生杂杂质补偿作用，在实际工艺中杂质补偿作用使用的非常广泛，例如在P阱结构中制备NMOS管8．理想半导体假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。

理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质。

理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。

9．费米能级用于衡量一定温度下，电子在各个量子态上的统计分布。

数值上费米能级是温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级。

10．状态密度函数表示能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。

11．费米-狄拉克概率函数表示热平衡状态下电子（服从泡利不相容原理的费米子）在不同能量的量子态上统计分布概率。

12．1.5k0T：费米函数0.182，玻尔兹曼函数0.2334k0T：费米函数0.018，玻尔兹曼函数0.018310k0T：费米函数4.54×10-5，玻尔兹曼函数4.54×10-513．所以假设硅的本征费米能级位于禁带中央是合理的14．假设杂质全部由强电离区的E FN D=1019/cm3；E F=E c-0.027eV15．未电离杂质占的百分比为得出：T=37.1K16．本征载流子浓度：1013/cm 3，多子浓度： 1.62×1013/cm 3，少子浓度：6.17×1012/cm 3，E F -E i =0.017eV17．*pC V 0i F *n 3ln 24m E E k T E E m +==+，当温度较小时，第二项整体数值较小，本征费米能级可近似认为处于禁带中央。

电子技术基础1.1 检验学习结果1、什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的？答：由于光照、辐射、温度的影响而产生电子—空穴对的现象称为本征激发；同时进行的价电子定向连续填补空穴的的现象称为复合。

掺入三价杂质元素后，由于空穴数量大大增加而称为多子，自由电子就是少子；掺入五价元素后，由于自由电子数量大大增加而称为多子，空穴就是少子。

即多数载流子和少数载流子的概念是因掺杂而形成的。

2、半导体的导电机理和金属导体的导电机理有何区别？答：金属导体中存在大量的自由电子载流子，因此金属导体导电时只有自由电子一种载流子；而半导体内部既有自由电子载流子又有空穴载流子，在外电场作用下，两种载流子总是同时参与导电，这一点是它与金属导体导电机理的区别。

3、什么是本征半导体？什么是N型半导体？什么是P型半导体？答：原子排列得非常整齐、结构完全对称的晶体称为本征半导体．．．．．。

本征半导体掺入五价元素后形成N型半导体；掺入三价元素后形成P形半导体。

4、由于Ｎ型半导体中多数载流子是电子，因此说这种半导体是带负电的。

这种说法正确吗？为什么？答：这种说法不正确。

因为，虽然N型半导体中有多子和少子之分，造成定城的离子带正电，但是整个晶体上的正、负电荷总数在掺杂过程中并没有失去或增加，所以晶体不带电。

5、试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。

这两种击穿能否造成PN结的永久损坏？答：电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿，前者是一种碰撞的击穿，后者属于场效应的击穿，这两种电击穿一般可逆，不会造成PN结的永久损坏。

6、何谓扩散电流？何谓漂移电流？何谓PN结的正向偏置和反向偏置？说说PＮ结有什么特性？答：由多子形成的导通电流称扩散电流，由少子形成的电流称为漂移电流；当PN 结的阳极P接电源正极，阴极N接电源负极时称为正向偏置，反之为反向偏置；PN结具有“正向导通、反向阻断”的单向导电性。

1.2 检验学习结果1、何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？答：二极管虽然具有单向导电性，但是当正向电压较小时，由于外加正向电压的电场还不足以克服PN结的内电场对扩散运动的阻挡作用，二极管仍呈现高阻态，所以通过二极管的正向电流几乎为零，即基本上仍处于截止状态，这段区域通常称为死区．．。

课后习题答案1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？ 解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。

然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。

因此，经典物理无法准确描述电子的状态。

在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率ω和波矢k 建立联系的，即k n ch p h E ====υωυ 上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率ω和波矢k 。

1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？解：波函数ψ是空间和时间的复函数。

与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。

如果用()t r ,ψ表示粒子的德布洛意波的振幅，以()()()t r t r t r ,,,2ψψψ*=表示波的强度，那么，t 时刻在r 附近的小体积元z y x ∆∆∆中检测到粒子的概率正比于()z y x t r ∆∆∆2,ψ。

1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。

解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。

半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。

所以半导体在室温下就有一定的导电能力。

而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。

1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。

由此产生的载流子称为本征载流子。

本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，i n p n ==00。

对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kT E V C i g e N N p n n ==002式中，N C ，N V 以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。

芯片基础--模拟集成电路设计智慧树知到课后章节答案2023年下山东工商学院山东工商学院第一章测试1.跟数字集成电路设计一样，目前高性能模拟集成电路的设计已经能自动完成。

A:错 B:对答案:错2.模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果A:对 B:错答案:对3.模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷A:错 B:对答案:对4.CMOS电路已成为当今SOC设计的主流制造技术。

A:错 B:对答案:对5.MOSFET的特征尺寸越来越小，本征速度越来越快（已可与双极器件相比较），现在几GHz～几十GHz的CMOS模拟集成电路已经可批量生产。

A:错 B:对答案:对6.相对于数字电路来说，模拟集成电路的设计更加基础，更加灵活。

A:错 B:对答案:对7.片上系统，又称SOC，其英文全称是：A:System Operations CenterB:System on ChipC:Separation of concernsD:System of computer答案:System on Chip8.互补金属氧化物半导体，英文简称CMOS，其英文全称为：A:Complementary Machine Of SemiconductorB:Complementary Metal Oxide SemiconductorC:Complementary Metal Oxide SystemD:Cargo Machine Of Semiconductor答案:Complementary Metal Oxide Semiconductor9.模拟数字转换器, 英文简称ADC, 英文全称为：A:Ambulance to Digital ConverterB:Ambulance to Destination ConverterC:Analog-to-Digital ConverterD:Analog-to- Destination Converter答案:Analog-to-Digital Converter第二章测试1.MOS器件的源端和漏端不可以共用，不可以互换。

微电子器件基础题13页word文档“微电子器件”课程复习题一、填空题1、若某突变PN 结的P 型区的掺杂浓度为163A 1.510cm N -=?，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。

2、在PN 结的空间电荷区中，P 区一侧带（负）电荷，N 区一侧带（正）电荷。

内建电场的方向是从（N ）区指向（P ）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（短），内建电场的最大值就越（大），内建电势V bi 就越（大），反向饱和电流I 0就越（小），势垒电容C T 就越（），雪崩击穿电压就越（低）。

5、硅突变结内建电势V bi 可表为（），在室温下的典型值为（0.8）伏特。

6、当对PN 结外加正向电压时，其势垒区宽度会（减小），势垒区的势垒高度会（降低）。

7、当对PN 结外加反向电压时，其势垒区宽度会（变宽），势垒区的势垒高度会（增高）。

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

若P 型区的掺杂浓度173A 1.510cm N -=?，外加电压V = 0.52V ，则P 型区与耗尽区边界上的少子浓度n p 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（高）；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（低）。

10、PN 结的正向电流由（空穴扩散Jdp ）电流、（电子扩散电流Jdn ）电流和（势垒区复合电流Jr ）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（多子）；PN 结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（少子）。

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（复合）。

第一章1.1 能否将1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？解：不能。

因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。

1.2已知稳压管的稳压值U Z ＝6V ，稳定电流的最小值I Zmin ＝5mA 。

求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。

解：U O1＝6V ，U O2＝5V 。

1.3写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D ＝0.7V 。

（该题与书上略有不同）解：U O1≈1.3V ，U O2＝0，U O3≈－1.3V ，U O4≈2V ，U O5≈1.3V ，U O6≈－2V 。

1.5 电路如图P1.5（a ）所示，其输入电压u I1和u I2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。

试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值（该题与书上数据不同）解：u O 的波形如解图P1.5所示。

解图P1.51.9电路如图T1.9所示，V CC ＝15V ，β＝100，U BE ＝0.7V 。

试问： （1）R b ＝50k Ω时，u O ＝？ （2）若T 临界饱和，则R b ≈？ 解：（1）R b ＝50k Ω时，基极电流、集电极电流和管压降分别为26bBEBB B =-=R U V I μAV2mA 6.2 C C CC CE B C =-===R I V U I I β所以输出电压U O ＝U CE ＝2V 。

1.11电路如图P1.11所示，试问β大于多少时晶体管饱和？ 解：取U CES ＝U BE ，若管子饱和，则Cb C BECC b BE CC R R R U V R U V ββ=-=-⋅所以，100Cb=≥R R β时，管子饱和。

图1.11 1.12 分别判断图P1.12所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态第二章2.1试分析图T2.2所示各电路是否能够放大正弦交流信号，简述理由。

课后习题答案1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？ 解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。

然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。

因此，经典物理无法准确描述电子的状态。

在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率ω和波矢k 建立联系的，即k n ch p h E ====υωυ 上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率ω和波矢k 。

1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？解：波函数ψ是空间和时间的复函数。

与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。

如果用()t r ,ψ表示粒子的德布洛意波的振幅，以()()()t r t r t r ,,,2ψψψ*=表示波的强度，那么，t 时刻在r 附近的小体积元z y x ∆∆∆中检测到粒子的概率正比于()z y x t r ∆∆∆2,ψ。

1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。

解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。

半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。

所以半导体在室温下就有一定的导电能力。

而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。

1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。

由此产生的载流子称为本征载流子。

本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，i n p n ==00。

对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kT E V C i g e N N p n n ==002式中，N C ，N V 以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。

《微电子器件》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.微电子技术的核心是基于哪种材料的半导体器件？（）A. 硅（Si）B. 锗（Ge）C. 砷化镓（GaAs）D. 氮化硅（Si₃N₃）2.在CMOS集成电路中，NMOS和PMOS晶体管的主要作用是？（）A. 分别实现逻辑“1”和逻辑“0”的输出B. 作为开关控制电流的通断C. 用于构成存储单元D. 提供稳定的电压基准3.下列哪项不是PN结二极管的主要特性？（）A. 单向导电性B. 击穿电压高C. 温度稳定性好D. 具有放大功能4.在MOSFET中，栅极电压对沟道电流的控制是通过什么机制实现的？（）A. 改变沟道宽度B. 改变耗尽层宽度C. 改变载流子浓度D. 改变源漏间电阻5.双极型晶体管（BJT）在放大区工作时，集电极电流与基极电流的比值称为？（）A. 放大倍数B. 电流增益C. 电压增益D. 功耗比6.下列哪种材料常用于制作微电子器件中的绝缘层？（）A. 二氧化硅（SiO₃）B. 氧化铝（Al₃O₃）C. 氮化硼（BN）D. 碳化硅（SiC）7.在集成电路制造过程中，光刻技术的关键步骤是？（）A. 涂胶B. 曝光C. 显影D. 以上都是8.下列哪项技术用于提高集成电路的集成度？（）A. 减小特征尺寸B. 增加芯片面积C. 使用更厚的衬底D. 降低工作温度9.微电子器件中的金属-氧化物-半导体 （MOS）结构，其氧化物层的主要作用是？（）A. 提供导电通道B. 隔绝栅极与沟道C. 存储电荷D. 增强电场效应10.在CMOS逻辑电路中，静态功耗主要由什么因素决定？（）A. 漏电流B. 开关频率C. 逻辑门数量D. 电源电压与漏电流的共同作用二、填空题（每题2分，共20分）1.微电子器件的基本单元是_______，它通过控制_______来实现对电流的调控。

2.在PN结正向偏置时，_______区的多数载流子向_______区扩散，形成正向电流。

3.MOSFET的阈值电压是指使沟道开始形成_______的最小栅极电压。

第一章思考题：1.1简单解释原子能级和晶体能带之间的联系和区别。

答：在孤立原子中，原子核外面的电子受到这个原子核所带正电荷的作用，按其能量的大小分布在不同的电子轨道上绕核运转。

原子中不同轨道上电子能量的大小用彼此有一定间隔的横线段组成的能级图来表示（见图1.1b）。

能级的位置越高，表示该能级上电子的能量就越大。

原子结合成晶体后，一个原子核外的电子除了受到这个原子核所带正电荷以及核外电子所带负电荷的作用以外，还要受到这个原子周围其它原子所带正负电荷的作用。

也就是说，晶体中的电子是在原子核的正电荷形成的周期性势场中作如图1.1（a）中箭头所示的共有化运动。

正因为如此，原来描述孤立原子中电子能量大小的能级就被分裂成为一系列彼此相距很近的准连续的能级，其形状好似一条条反映电子能量大小的带子，故称之为能带，见图1.1（b）。

1.2以硅为例，解释什么是施主杂质和施主能级？什么是受主杂质和受主能级？答：以硅为例，见图1.2（a），如果在单晶硅中掺入Ⅴ族元素的杂质磷（P+），磷原子()P将取代Ⅳ族的硅(Si)原子的位置而成为所谓的施主杂质。

因为磷原子外层有五个价电子，它和周围的四个硅原子形成共价键后还多出一个电子，这个多余的电子受到磷原子核的微弱束缚力而绕着该原子核做一定半径的圆周运动，它只需要吸收很小的能量（百分之几个电子伏特）就能挣脱磷原子核的束缚而成为可以在整个晶体中运动的准自由电子，原来的磷原子则成为了磷离子()+P，称之为正电中心。

从电子能量大小的观点来看，导带底能量E C表示导带中速度为零的电子所具备的能量，而没有被热（或光）激发、仍然绕磷原子核运转的电子处于束缚态，其能量应低于导带底能量C E 。

用能级图来表示，该电子所在的能级应在C E 下方并且非常靠近C E 的地方，一般用短的横线表示。

我们称这一能级为施主能级，用D E 表示。

又称能够向能带提供施主能级的杂质为施主杂质。

同样，见图1.2(b)。