半导体器件物理第三章PN结作业解析
半导体器件物理课后习题解答【最新】
应用场合：齐纳二极管多被应用于稳压以及静电防治的场合。当用作稳压管时通常需串联一降压电阻( R )后才接至电源，但电压源(E)一定要高于期纳二极管的崩溃电压，否则就无法发挥齐纳二极管的稳压作用。
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能出现的。
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。
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：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化。
半导体器件物理课后习题解答
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化。
半导体器件物理课后习题解答
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化。
半导体器件物理_Chapter3_pn结及金属半导体接触
pn结直流特性
PN结的特性 单向导电性：
• 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置 反向击穿电压VB
• 正向导通，多数载流子扩 散电流； 反向截止，少数载流子漂 移电流。
三 pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。
• 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。 （2）pn结的内建电势VD (N型 kqTlnNnANi2 D
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导 体材料的特性相关。
平衡pn结能带图
P区能带相对于n区能带上移的原因： 能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电 场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上 一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即 为接触电势差。
在sd时间内，过剩载流子被 抽取。
直到过剩载流子抽取完，二极 管的偏压才由正偏变为负偏。
• 电荷贮存效应
贮存时间sd • 下降时间t • 反向恢复时间 sd＋t
–决定因素：
• 少子寿命p
• 正向注入电流If • 反向抽取电流Ir
由于If 、Ir常受到电路中其他条件的限制，所 以，减小载流子寿命比较可行。
• PN结扩散电容来源于扩散区积累的过剩载流子电荷 随外加电压的变化。过剩载流子随外加电压变化的 同时，空间电荷区两侧的扩散区电荷也有变化。扩 散区是中性的，积累过剩载流子的同时，在同一区 也必然积累等量的过剩多子。
半导体器件物理15解读
W m W p ：具有整流效应 W m W p ：具有非整流效应（欧姆接触）
以 W m W n 的金属和 N 型半导体接触为例分析整理效应
（a）未加偏压
（b）加正向偏压
（c）加反向偏压
（1）加正向偏压
当金属一边加正电压，半导体一边加负电压（正向偏压）时， 外加电场与自建电场方向相反，N 型半导体中的势垒高度由 q V D 降低为 q(V D V) ，而 q b 基本保持不变。在半导体一边 势垒的降低使得半导体中的电子更易于流向金属，这是正向偏 压条件，能够流过大的电流。
① 半导体一边的势垒高度为
qV D W m W n E Fn E Fm
势垒两边的电位差即接触电位差 V D 为
W E Fn E Fm m W n VD q q
②E 0 E n W n E Fm （其中 W n E 0 E c E n ） W m En W n （其中 W m E 0 E Fm ）
W s E 0 E Fs
由于半导体的费米能级随杂 质浓度变化，因而 W s 也与 杂质浓度有关。N 型半导体 的功函数如图所示。
由图可知，半导体的功函数可表示为：
W s E 0 E c E c E Fs s E n
其中：
s E0 Ec 定义为半导体的电子亲和能，表示要使半导
接触前能带图
接触后能带图
当 W m W p 时，则 E Fm E Fp ，它们接触形成结时，电子将从 金属流向半导体，半导体能带向下弯曲，最后达到平衡时具 有统一的费米能级，形成 P 型阻挡层。
半导体一边的势垒高度为：
qV D W p W m E Fm E Fp
(完整word版)半导体物理学(第七版)完整课后答案
第一章习题1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为：E C （K ）=0220122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。
试求：为电子惯性质量，nm a ak 314.0,1==π（1）禁带宽度;（2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量;（4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1）eVm k E k E E E k m dk E d k m kdk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064338232430)(2320212102220202020222101202==-==<-===-==>=+===-+ 因此：取极大值处，所以又因为得价带：取极小值处，所以：在又因为：得：由导带：043222*83)2(1m dk E d mk k C nC===sN k k k p k p m dk E d mk k k k V nV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11-===⨯=-=-=∆=-== 所以：准动量的定义：2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。
解：根据：t k hqE f ∆∆== 得qEk t -∆=∆ sat sat 137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(----⨯=⨯⨯--=∆⨯=⨯⨯--=∆ππ补充题1分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示：（a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面（c ）(111)晶面补充题2一维晶体的电子能带可写为)2cos 81cos 87()22ka ka ma k E +-=（， 式中a 为 晶格常数，试求（1）布里渊区边界；（2）能带宽度；（3）电子在波矢k 状态时的速度；（4）能带底部电子的有效质量*n m ；（5）能带顶部空穴的有效质量*p m解：（1）由0)(=dk k dE 得 an k π= （n=0，1，2…）进一步分析an k π)12(+= ，E （k ）有极大值，222)mak E MAX =（ ank π2=时，E （k ）有极小值所以布里渊区边界为an k π)12(+=(2)能带宽度为222)()ma k E k E MIN MAX =-（ (3）电子在波矢k 状态的速度)2sin 41(sin 1ka ka ma dk dE v -== （4）电子的有效质量)2cos 21(cos 222*ka ka mdkEd m n-== 能带底部 an k π2=所以m m n 2*= (5)能带顶部 an k π)12(+=， 且**n p m m -=，所以能带顶部空穴的有效质量32*mm p =半导体物理第2章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：（1）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。
半导体器件物理 第三章总结
40
a
金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为 a正三角形S之和 S0 = 4S = 4×a×a = a2 由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍 即1.732倍。
41
图（15） 15）
当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生反射光Φ1 和进入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以继续投射到另一方 锥的B点，产生二次反射光Φ3和进入半导体的折射光Φ4 ； 而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有 11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得 绒面的反射率为9.04%。 42
E = hf
当光子到达太阳电池表面， 当光子到达太阳电池表面，一部 分光子被反射掉了， 分光子被反射掉了，但不是所有 的光子都被反射掉， 的光子都被反射掉，有一部分被 P-N结吸收或转化。 结吸收或转化。 结吸收或转化
15
当光子被吸收后， 当光子被吸收后，光 子的能量被转换交给 晶格中的电子 ，这 就是光生伏特效应 （photovoltaic effect）。 ）。 太阳电池由半导体材 料制成，典型如： 料制成，典型如：硅 （Silicon） ）
图（16） 16）
20多年来单晶硅太阳电池商品化过程中，为提高太 阳电池效率和降低制造成本优化绒面工艺一直没有停止 过。以致出现了晶片绒面化的材料供应商。尚德太阳能 电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革， 有所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨 43 点印迹，反射率曲线。
3.4.4 太阳电池的成本问题
19
• 光生伏特效应：
hγ≥ Eg，在P、N区产生电子空穴对 光生载流子扩散至空间电荷区 进入电荷区的电子和空穴被电场分别扫向N、P区 N P N区电子累积，P区空穴累积 产生光生电势，同时对外部呈现光生电场，即开路 电压
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的概念与分类介绍半导体的定义解释N型和P型半导体讲解半导体材料的分类及性质1.2 半导体的导电特性说明半导体的导电原理探讨半导体导电性的影响因素分析N型和P型半导体的导电特性第二章：PN结的形成与特性2.1 PN结的形成讲解PN结的形成过程说明PN结的形成机制探讨PN结的平衡状态2.2 PN结的特性分析PN结的伏安特性讲解PN结的击穿现象探讨PN结的势垒结构和电荷分布第三章：二极管的结构与特性3.1 二极管的结构介绍二极管的结构及组成讲解P型和N型半导体对接形成二极管的过程探讨二极管的掺杂浓度和材料选择3.2 二极管的特性分析二极管的伏安特性讲解二极管的正向和反向导通条件探讨二极管的动态响应特性和温度特性第四章：二极管的应用4.1 整流电路讲解二极管整流电路的原理分析整流电路的电压和电流波形探讨整流电路的效率和输出特性4.2 滤波电路介绍二极管滤波电路的原理分析滤波电路的频率响应特性探讨滤波电路的应用场景和效果4.3 稳压电路讲解二极管稳压电路的原理分析稳压电路的稳压特性探讨稳压电路的选用和设计要点第五章：晶体三极管的结构与特性5.1 晶体三极管的结构介绍晶体三极管的结构及组成讲解PNP和NPN型晶体三极管的结构特点探讨晶体三极管的制造工艺和材料选择5.2 晶体三极管的特性分析晶体三极管的伏安特性讲解晶体三极管的工作原理探讨晶体三极管的电流放大效应和输出特性第六章：晶体三极管的应用6.1 放大电路讲解晶体三极管放大电路的原理分析放大电路的电压和电流波形探讨放大电路的输入和输出特性6.2 开关电路介绍晶体三极管开关电路的原理分析开关电路的转换特性探讨晶体三极管在开关电路中的应用和选择第七章：场效应晶体管的结构与特性7.1 场效应晶体管的结构介绍场效应晶体管的结构及组成讲解MOSFET和JFET的结构特点探讨场效应晶体管的制造工艺和材料选择7.2 场效应晶体管的特性分析场效应晶体管的伏安特性讲解场效应晶体管的工作原理探讨场效应晶体管的电流放大效应和输出特性第八章：集成电路的基本原理8.1 集成电路的构成介绍集成电路的构成要素讲解集成电路的制造工艺探讨集成电路的分类和应用领域8.2 集成电路的设计与制造分析集成电路的设计流程讲解集成电路的制造步骤探讨集成电路的设计原则和制造技术第九章：常用集成电路应用实例9.1 放大集成电路讲解放大集成电路的原理与应用分析放大集成电路的性能指标探讨放大集成电路在实际电路中的应用实例9.2 数字集成电路介绍数字集成电路的原理与应用分析数字集成电路的逻辑功能探讨数字集成电路在数字系统中的应用实例第十章：半导体器件的发展与新技术10.1 半导体器件的发展历程回顾半导体器件的发展历程分析不期半导体器件的特点和突破探讨半导体器件未来发展趋势10.2 半导体新技术介绍半导体新技术的研究方向分析半导体新技术的应用前景探讨半导体新技术对半导体产业的影响重点和难点解析重点环节1：半导体的导电特性需要重点关注半导体导电原理和影响导电性的因素，因为这是理解后续半导体器件工作的基础。
2.2 加偏压的 P-N 结
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
W′
P
VR +
能量
N
IR
（E ）
q ( 0 + VR ψ
qVR
)
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度 W ' > W
图2.5 单边突变结的能带图
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
反向抽取：反偏PN结空间电荷区电场将N区少 子空穴从N区向P区漂移，将P区少子电子从P区 向N区漂移，这种现象称为载流子的反向抽取。
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在反偏压下，突变结耗尽层宽度为
2k ∈0 (ψ 0 + VR ) 2 W = qN d
1
（2-23）
由上式可知： a. 反偏压使PN结耗尽层展宽。 b. 式（2-23）在较低的正偏压情况下也可以使用。 正偏压将使耗尽层变窄。在大的正偏压下，由 于耗尽层近似不再成立，式（2-23）不再适用。
= n p0 e
（2－29）
= pn0e
（2－30）
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2、空间电荷效应和扩散近似
(1).空间电荷效应 在PN结的中性区，有注入的过量非平衡少子， 建立起一瞬间电场，此电场吸引过量的多子以中和 注入的少子，并使电中性得以恢复。结果造成有很 高的过量载流子浓度但无显著的空间电荷效应。
掌握名词、术语和基本概念： 正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 正确画出加偏压PN结能带图； 根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电 性； 根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导 电性。
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2.1 热平衡PN结
W 2 W 2
2 ε (x ) dx = ε max W 3
ε max
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2 1 aq = kε (12ψ 0 )3 8 0
1 3
7、平衡PN结的载流子浓度
平衡载流子浓度可表示为：
Ei E F n = ni exp KT
区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移 分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和 受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空 间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一
个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。
费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
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p
漂移
n
E
扩散 qψ 0
ψp
扩散 漂移
ψn
EC EF Ei EV
（a）在接触前分开的P 型和N型硅的能带图 图2-3
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
（b）接触后的能带图
ρ
p 型电中性区 边界层 边界层 n 型电中性区 耗尽区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3
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3、耗尽层近似
耗尽区 PN结的三个区 中性区 边界层 中性近似 ---中性指的是电中性,PN结空间电荷 区以外的区域(P区和N区)的电阻与空间电荷区的电阻 相比可以忽略,加偏压时它们承受的电压降可以忽略 故称为 “中性区”。
半导体器件物理 Dr. B. Li &J. Han
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6.把一个硅二极管用做变容二极管，在结的两边的掺杂浓度分 别为 ND=1015cm-3 ， NA ＝ 1019cm-3 ，求在反偏电压为 1V 和 5V 时的 二极管势垒电容（忽略二极管截面积的影响） 。
7.一理想硅p-n结二极管，NA=1016cm-3， ND=1018cm-3，p0= n0= 10-6 s，ni=9.65×109cm-3， Dn=30 cm2/s， Dp=2 cm2/s，器件面 积为2×10-4 cm2，计算室温下饱和电流的理论值及±0.7V时的 正向和反向电流值。 8.采用载流子扩散与漂移的观点分析PN结空间电荷区的形成。
qV p( xn ) pn 0 exp kห้องสมุดไป่ตู้
4.推导杂质分布公式：
2 1 N (W ) [ ] 2 q s d (1 / C j ) / dV
5.长PN结二极管处于反偏压状态，求解下列问题： （ 1 ）解扩散方程求少子分布 np （ x ）和 pn （ x ），并画出他 们的分布示意图。 （2）计算扩散区内少子存储电荷。
9.采用载流子扩散与漂移的观点分析PN结的单向导电性。
第二章作业答案
n
dn J qnn E x qDn 0 dx
Dn
kT n q
kT dn E x qn dx akT E x q
n ND N0 exp ax
• 超量载流子注入一厚度为W的薄n型硅晶的 一个表面上，并于另一个表面上取出，而 其pn(W)=pno,在0<x<W的区域里没有电场。
第三章作业题
1.推导PN结空间电荷区内建电势差公式：
kT N A N D Vbi n p ln( ) 2 q ni
2.硅突变结二极管的掺杂浓度为ND=1015cm-3， NA＝4×1020cm-3 ，在室温下计算：（1）内建电势差；（2）零偏压时的耗尽区 宽度;(3)零偏压下的最大内建电场。 3.推导加偏压的PN结空间电荷区边缘非平衡少子浓度值公式：