IN LONGER WE TRUST!

高级微电子技术复习提纲 2015-9-29 IN LONGER WE TRUST!

1. 请给出下列英文缩写的英文全文，并译出中文：CPLD、FPGA、GAL、LUT、IP、SoC。 CPLD：Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件； FPGA：Field Programmable Gate Array 现场可编辑门阵列； GAL：Generic Array Logic 通用逻辑器件； LUT：Look-Up Table 查找表；

IP：Intellectual Property 知识产权； SoC：System on Chip 片上系统。 2. 试述AGC BJT器件实现AGC特性（自动增益控制，Automatic Gain Control）的工作原理; 试说明为什么AGC BJT

的工作频率范围受限。

AGC双极型晶体管利用大注入效应。在大电流下基区产生大注入效应，使增益降低、输出不至于过高，达到自动增益控制的目的。

自动增益控制特性与频率特性是相矛盾:

1) 实现AGC需要基区展宽，而器件的工作频率与基区宽度的平方成反比，使得工作频率范围受限；

2) 实现AGC要求基区大注入,基区掺杂浓度低时，易于发生大注入效应，而基区掺杂浓度动愈低，器件高频噪声愈差，使得工作频率范围受限。 3. 试给出AGC BJT和AGC双栅MOSFET的自动增益控制范围(db数)和频率范围。

通常AGC双极型晶体管工作在10—300MHz频率范围内。双栅MOSFET:硅栅：200MHz以内，钼栅：900MHz以内。 4. 为什么双栅MOSFET具有良好的超高频(UHF)特性？ 双栅MOSFET具有相互独立的两个栅电极，大幅减小了密勒效应，使反馈电容比普通MOSFET低两个数量级以上，从而有良好的超高频特性。 5. 试给出在IC中实现AGC功能的方法。 如图所示为AGC在IC中的实现方法流程图：

6. 为什么硅栅、耐熔金属栅能实现源漏自对准，而铝栅不行？实现源漏自对准的目的是什么？

铝栅的熔点较低，在高温下对有源区进行扩散时铝会熔化，不能实现自对准工艺。而套刻工艺难度随器件缩小越难至无法实现。

减小其中MOSFET的寄生电容，提高工作频率和速度。 7. 试用“深掏滩，低垒堰”的思想说明“在IC中利用密勒效应来获得大电容”的发明的聪明之处。IC中利用密勒效

应来获得大电容的目的是什么？

聪明之处：化不利为有利，化腐朽为神奇。

（1）采用较小的电容即获得较大的电容，避免大电容的制作，减小芯片面积； （2）通过控制电压或电流的放大倍数，获得可控电容。 8. 试举4个以上例子说明：在模拟IC或模拟电路中，电容通常所起的作用。

在BJT共射放大电路的设计中，常在串联发射集电阻Re的同时并联大的旁路电容，从而在不影响电压放大倍数的

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情况下，提高输入电阻；

振荡电路的设计中通过电阻和电容组成移相电路，使电路满足振荡的相位平衡条件； 在运算放大器的设计中利用电容和电阻组成求和，积分等运算电路；

整流电路的设计中利用电容的充放电效应设计滤波整流电路，将交流电变换成直流电。 9. 为什么说“BJT的开启电压固定，MOS的开启电压难于精确控制”？

答：因为MOS管的阈值电压UTH对工艺过程和器件尺寸非常敏感，而BJT器件的开启电压UBE比UTH更容易精确控制，所以BJT器件更容易得到性能良好的匹配对管，使开启电压固定。

10. 在相同工艺水平条件下，例如同为1um工艺，BJT与CMOS 相比较，BJT的工作频率更高, 其原因是什么？

由此, 能否说明“少子器件不一定比多子器件慢”？

在1um工艺下，基区宽度较宽，对CMOS而言，寄身电容和栅电容较大，BJT与CMOS 相比较，BJT的工作频率更高。速度受迁移率的影响，BJT的体迁移率远大于 MOSFET的表面迁移率，因此跨导更大，速度更快。 不能，随着集成度的提高，CMOS工艺的晶体管速度已经快于BJT。 11. 试说明ECL电路速度快，但功耗大的原因。

答：ECL是非饱和电路，逻辑摆幅很小，当电路从一个状态过渡到另一个状态时对寄生电容的充放电时间减少，因此电路速度快。但是单元门的开关管是轮流导通的，对整个电路来说是没有截止状态的，因此功耗大。 12. BJT频率特性的提高受到什么因素限制？为什么HBT可以解决此问题？

答：受发射区摻杂浓度、基区摻杂浓度、基区宽度的限制，要提高BJT的频率特性就要减小基区宽度，而这将导致击穿电压和厄利电压下降。而HBT的注入效率足够高，可以保证即使基区摻杂浓度远大于发射区摻杂浓度、基区宽度减小仍然具有很高的电流放大倍数，提高频率特性。

13. 试画出NPN BJT、宽禁带发射区NPN HBT的能带图和窄禁带发射区NPN HBT的能带图。

部分能带图详见《微电子器件》最后一章。

14. 为什么宽禁带发射区HBT能够改善BJT的噪音特性？ 在不降低放大系数情况下，宽禁带发射区HBT的发射区掺杂浓度可以减小，这减小了发射区电容；宽禁带发射区HBT的基区掺杂浓度可以增大，这减小了基区电阻。从而器件噪声也降低。

15. 由于宽禁带发射区HBT具有良好噪音特性，它常被用作电子系统的前置放大。试说明“前置放大级噪音特性

决定了整个电子系统的噪音特性”。

对于级联放大器而言，由费里斯公示可知，总的噪声系数为：

为了使接收机的总噪声系数小, 要求各级的噪声系数小，而总噪声系数主要取决于最前面几级，所以前置放大级噪音特性决定了整个电子系统的噪音特性。

16. 什么叫BiCMOS，它与CMOS相比有何优缺点？

BiCMOS是将CMOS和双极器件集成在同一芯片上的技术。与CMOS相比，其既有CMOS电路高集成度低功耗的特点，又有双极性电路高速、强电流驱动能力的优势，但是要完全实现这一点，制造成本很高。

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17. 什么叫IGBT它与功率MOS相比有何优缺点？

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极性晶体管，是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其导电损耗小，但开关速度慢。 18. 画出IGBT等效电路图。 如右图。（FET控制BJT）

19. 为什么IGBT中的BJT的基区较宽。

在厄利效应的影响下， IGBT为了维持更高的电压，因此需要较宽的基区。 20. IGBT导通电阻小的器件物理本质是什么？

引入了pn结注入机制。IGBT在正向工作条件下，在注入少子时，高阻厚外延的N-区产生电导调制效应，降低了外延层的电阻率，从而减小了器件的导通电阻。

21. 试画出IGBT和BiCMOS倒相器的等效电路图，并对IGBT和BiCMOS的工作原理作比较分析。 暂时放弃

22. 试说明闭锁效应在CMOS、BiCMOS、IGBT中的危害和在可控硅中的好处。

闭锁效应时，栅极只能控制导通，但不能控制关断，仅能通过切断电源关断，引起器件失效、烧毁。但在可控硅导通时，发生闭锁，产生强烈的BJT基区电导调制效应，从而使得其正向导通电阻极小。 23. 证明闭锁条件αnpn+αpnp=1，并等价于βnpn*βpnp=1。 别证明了，能证明两个公式等价就阿弥陀佛了。

24. 试说明热载流子效应在微电子器件中的危害，及其在EEPROM和Flash存储器中应用的原理。 寄生晶体管效应与热载流子退化。

热电子注入是对Flash EEPROM编程的一种手段，高电场加速得到的热电子注入浮栅区来实现Flash存储器对数据的存储。

25. 结合本课程所学知识说明：微电子器件物理的效应其实都尤如都江堰中的水--既可发洪水，也可养育川西平

原，即所谓“水可载舟，亦可覆舟（赛艇）”。 闭锁效应、雪崩击穿效应、热载流子效应。

26. 试用“深掏滩，低垒堰”的思想，分析本课程介绍的微电子器件和IC的发明的思路。 （1）将半导体特性制作各种功能微电子器件（如，二极管、三极管、场效应晶体管）；

（2）将MOS和BJT的优点结合起来构成BICMOS，将功率MOS和BJT的优点结合起来构成IGBT；

（3）将半导体中不利影响转化为特殊功能（如，利用热载流子效应制成了当今主流的Flash存储器）； 这些都是利用“乘势利导、因时制宜”的思想引导微电子技术中的发展。 27. 集成电路封装的目的。

第一，对芯片进行保护，隔绝水汽灰尘以及防止氧化；第二，散热；第三，物理连接和电连接。 28. 列举先进集成电路封装技术。

互联工艺：引线键合（Wire Bonding，WB）、载带自动焊接（Tape Automated Bonding，TAB）和倒装芯片（Flip Chip）工艺以及埋置芯片互连技术。封装：3D封装、SiP。 29. 试述Flip Chip封装技术主要工艺流程。

FC技术是芯片面朝下、将芯片焊区和基板焊区直接互连的技术，主要流程：

1在晶圆上刻划集成电路2脚垫芯片表面金属化3将焊接点沉积在每个垫（pad）上

4切割芯片5芯片翻转和定位，使焊球正对外部电路的连接器6重熔焊球7安装的芯片底部使用电气与绝缘胶填充 30. 什么是3D TSV技术？

硅穿孔（英语：Through Silicon Via, 常简写为TSV，也称做硅通孔）是一种穿透硅晶圆或芯片的垂直互连。

TSV 是一种让3D IC封装遵循摩尔定律（Moore's Law）的互连技术，TSV可堆叠多片芯片，其设计概念来自于印刷电路板（PCB）, 在芯片钻出小洞（制程又可分为先钻孔及后钻孔两种, Via Fist, Via Last），从底部填充入金属, 硅晶圆上以蚀刻或激光方式钻孔（via），再以导电材料如铜、多晶硅、钨等物质填满。此一技术能够以更低的成本有效提高系统的整合度与效能。试述先进集成电路封装技术对封装材料、设备、工艺的挑战，以及先进封装技术对集成电路设计带来的影响。

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