半导体器件物理课后习题解答

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1、半导体器件物理课后作业第二章对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。解：发光二极管它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空

2、穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。光电二极管光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN

3、结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变

4、化。光电二极管有多种类型，用途也不尽相同，主要有以下几种：PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。　　用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应　　用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体　　用途：主要用于紫外线等短波光的检测雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光　　用途：高速光通信、高速光检测隧道二极管隧道二极管（TunnelDiode）又

5、称为江崎二极管，它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。工作原理：隧道二极管的工作符合发生隧道效应具备的三个条件：①费米能级位于导带和满带内；②空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；③简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。隧道二极管的工作原理是量子力学领域的隧道效应。所谓“遂道效应”就是指粒子通过一个势能大于总能量的有限区域。这是一种量子力学现象，按照经典力学是不可

6、能出现的。应用场合：隧道二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。齐纳二极管CurrentVoltage工作原理：齐纳二极管主要工作于逆向偏压区，在二极管工作于逆向偏压区时，当电压未达崩溃电压以前，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流，这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，即当逆向电压达到崩溃电压时，每一微小电压的增加就会产生相当大的电流，此时二极管两端的电压就会保持于一个变化量相当微小的电压值(几乎等于崩溃电压)，下图为齐纳二极管之电压电流曲线。如果没有一些外在

7、的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结可以作为一个非常稳定的参考电压。图一齐纳二极管的反向击穿电流电压曲线导致反向击穿的一个机制是avalanchemultiplication。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪

8、球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanchemultiplication。反向击穿的另一个机制是Tunneling。Tunne