半導(dǎo)體器件物理課后習(xí)題解答

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1、半導(dǎo)體器件物理課后作業(yè)第二章對(duì)發(fā)光二極管（LED）、光電二極管（PD）、隧道二極管、齊納二極管、變?nèi)莨堋⒖旎謴?fù)二極管和電荷存儲(chǔ)二極管這7個(gè)二端器件，請(qǐng)選擇其中的4個(gè)器件，簡(jiǎn)述它們的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)合。解：發(fā)光二極管它是半導(dǎo)體二極管的一種，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED。工作原理：發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒

2、光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少是不同的，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短；反之，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)。應(yīng)用場(chǎng)合：常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管，它們主要用于各種LED顯示屏、彩燈、工作（交通）指示燈以及居家LED節(jié)能燈。光電二極管光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?，但在電路中它不是作整流元件，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件。工作原理：普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)

3、，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光，而電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流迅速增大到幾十微安，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流

4、叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。光電二極管有多種類型，用途也不盡相同，主要有以下幾種：PN型特性：優(yōu)點(diǎn)是暗電流小，一般情況下，響應(yīng)速度較低?！　∮猛荆赫斩扔?jì)、彩色傳感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計(jì)、照相機(jī)曝光計(jì)。PIN型特性：缺點(diǎn)是暗電流大，因結(jié)容量低，故可獲得快速響應(yīng)　　用途：高速光的檢測(cè)、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真發(fā)射鍵型特性：使用Au薄膜與N型半導(dǎo)體結(jié)代替P型半導(dǎo)體　　用途：主要用于紫外線等短波光的檢測(cè)雪崩型特性：響應(yīng)速

5、度非?？?，因具有倍速做用，故可檢測(cè)微弱光　　用途：高速光通信、高速光檢測(cè)隧道二極管隧道二極管（TunnelDiode）又稱為江崎二極管，它是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管。隧道二極管是采用砷化鎵（GaAs）和銻化鎵（GaSb）等材料混合制成的半導(dǎo)體二極管，其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)特性好，速度快、工作頻率高；缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。工作原理：隧道二極管的工作符合發(fā)生隧道效應(yīng)具備的三個(gè)條件：①費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶和滿帶內(nèi)；②空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；③簡(jiǎn)并半導(dǎo)體P型區(qū)和N型區(qū)中的空穴和電子在同一能級(jí)上有交疊的可能

6、性。隧道二極管的工作原理是量子力學(xué)領(lǐng)域的隧道效應(yīng)。所謂“遂道效應(yīng)”就是指粒子通過(guò)一個(gè)勢(shì)能大于總能量的有限區(qū)域。這是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，按照經(jīng)典力學(xué)是不可能出現(xiàn)的。應(yīng)用場(chǎng)合：隧道二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達(dá)毫米波段），也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。齊納二極管CurrentVoltage工作原理：齊納二極管主要工作于逆向偏壓區(qū)，在二極管工作于逆向偏壓區(qū)時(shí)，當(dāng)電壓未達(dá)崩潰電壓以前，反向偏置的PN結(jié)中只有一個(gè)很小的電流，這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數(shù)，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，即當(dāng)逆向電壓達(dá)

7、到崩潰電壓時(shí)，每一微小電壓的增加就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流，此時(shí)二極管兩端的電壓就會(huì)保持于一個(gè)變化量相當(dāng)微小的電壓值(幾乎等于崩潰電壓)，下圖為齊納二極管之電壓電流曲線。如果沒(méi)有一些外在的措施來(lái)限制電流的話，它可能導(dǎo)致器件的損壞。反向擊穿通常設(shè)置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)限制電流的話，反向擊穿的結(jié)可以作為一個(gè)非常穩(wěn)定的參考電壓。圖一齊納二極管的反向擊穿電流電壓曲線導(dǎo)致反向擊穿的一個(gè)機(jī)制是avalanchemultiplication。考慮一個(gè)反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠

8、快到阻止電場(chǎng)的加強(qiáng)。強(qiáng)大的電場(chǎng)加速了一些載流子以非常高的速度穿過(guò)耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子碰撞到晶體中的原子時(shí)，他們撞擊松的價(jià)電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因?yàn)橐粋€(gè)載流子能通過(guò)撞擊來(lái)產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個(gè)雪球能產(chǎn)生一場(chǎng)雪崩一樣，所以這個(gè)過(guò)程叫avalanchemultiplication。反向擊穿的另一個(gè)機(jī)制是Tunneling。Tunne