集成电路设计基础作业题解答(1～4)

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1、第一次作业：1、为什么PN结会有单向导电性？答PN结是由P型半导体和N型半导体结合在一起形成的。P型半导体多子是空穴，N型半导体多子是电子。当形成PN结后由于载流子的浓度差，电子会向P型侧扩散，空穴会向N型侧扩散。随着扩散的进行，会在接触处形成一定厚度的空间电荷区，电荷区中的正负离化中心形成内建电场。随着空间耗尽区的扩展和内建电场的增强，电场作用下的漂移得到加强，扩散随之减弱，最后漂移电流和扩散电流达到平衡。若给PN结两端加上正电压，外加电场将会削弱内建电场从而加强扩散削弱漂移，此时扩散电流电流大于漂移电流从而形成正向导通电流。当PN结加上反向偏压后，外加电场和内建电场同

2、向，此时扩散进一步收到抑制，漂移得到加强。但漂移的少数载流子非常少，所以没能形成大的反向导通电流。这就是PN结的单向导电性。2、为什么半导体掺杂后导电能力大大增强答：本征半导体在常温情况下由于热激发产生的空穴电子对浓度大约在1010量级。而在常温下本征半导体的导电能力非常弱。当掺入B或P等杂质后，在常温下的掺杂杂质基本全部离化，杂质的离化而会在价带或导带产生大量的能做共有化运动的空穴或电子。在杂质没有补偿的情况下，载流子浓度近似等于杂质浓度，半导体掺杂后n,p大大增加。根据电导率σ=nqµ(n)+pqµ(p)可知，掺杂半导体的电导率大大增加，即导电能力明显增强。3、为什么

3、晶体管有放大作用？答：我们定义晶体管集电极电流和基极电流的比值为晶体管放大倍数。只有当晶体管处于放大状态时才具有线性放大能力。当BE结正偏，BC结反偏时管子处于放大状态。因为发射极高掺杂，在BE正向导通时，发射极的大量电子（以NPN管为例）扩散到基区。基区空穴扩散到发射极，而基区浓度远比发射极来得低，所以电子扩散电流占主要部分。因为基区很薄且载流子寿命很长，到达基区的电子只有一小部分和基区注入得空穴复合，绝大部分要在反偏的集电结内建电场作用下而漂移到集电极。所以集电极电流与基极电流的比值比较大，即放大倍数比较大。第二次作业1.3、题目略解答：（1）①由图可知②由图可知（2

4、）(3)各层版图如下(不按次序排放)1.5、题目略设计条件如下：①单条形基极，单条形发射极，单条形集电极②工艺允许最小宽度为2u③外延层厚度和各图形的间距也是2u④采用标准的PN结隔离双极型工艺⑤要求管子占有面积最小解答：根据以上条件可以得到以下layout（1）根据以上版图可以计算一个NPN管的版图面积为（2）（3）当最小间距是5um时，，当最小间距是0.5um时，，2.1利用EM模型证明题目有错误，应该将改为将改为证明：根据EM模型可知……………………①……………………②其中为集电极短路时，发射极的反向饱和电流，它与集电极开路时发射极反向饱和电流有以下关系；将此式带入

5、①得到上式也可写成其中为发射极短路时，集电极的反向饱和电流，它与发射极开路时集电极反向饱和电流有以下关系同样可得到将②式乘以，并与①相减得到整理便可得到同理可以得到，从而可得第三次作业2.2、先求解半个单元的电阻①求解由图可知W=15um，L＝100um代入公式②,代入下式可得到③综上所述，半个单元的2.3伴随着一个横向PNP器件产生两个寄生的PNP管，试问当横向PNP器件的4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大？解答：横向PNP管的剖面图请参考教材Pa29页图2.12。PNP管的衬底接最底电位，且器件存在两个寄生PNP管，分别是C-B-S,E-B-S

6、。因为衬底接最低电位，B-S结始终反偏。①当横向PNP主管处在正向放大状态时(即Vbe<0，Vbc>0),E-B-S管处于放大状态，C-B-S处于截止状态②当横向PNP主管处在截止状态时(即Vbe>0，Vbc>0),E-B-S管和C-B-S管均处于截止状态③当横向PNP主管处在反向放大状态时(即Vbe>0，Vbc<0)，C-B-S管处于放大状态，E-B-S处于截止状态④当横向PNP主管处在饱和状态时(即Vbe>0，Vbc>0)，C-B-S管处于放大状态，E-B-S也处于放大状态当寄生PNP管处于截止状态时，就相当于多了一个寄生电容。当处于放大状态时，寄生管工作。综上所述，

7、当横向PNP主管饱和时，两个寄生PNP管均处于放大工作状态，影响最大。2.8、试设计一个单基极、单发射极、单集电极的输出晶体管，要求其在20mA的电流负载下，VOL≤0.4V，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。给出设计条件如下：（1）各引线孔宽为10um，最小套准间距DA＝8um，，DC-I=DB-I=20um，隔离槽宽dI＝14um（这些都是最小尺寸）（2）单位发射极区有效周长最大工作电流α＝0.16mA/um（3）电极排列顺序B,E,C（4）RS-BL＝20Ω/□,(5)T1=Tepi－TBL-up－xjc－xmC－ep