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。

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（Tunnel Diode）又称为江崎二极管，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

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avalanche multiplication。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球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。

反向击穿的另一个机制是Tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠Tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。

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。

变容二极管

变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种，也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。

工作原理：我们可以把它看成一个PN结，当外加正向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；如果在PN结上加一个反向电压V（变容二极管是反向来用的），则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽层，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少（根据C=kS/d），而耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变变大。反向电压V的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C并达到了目的。

应用场合：作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM调制电路中。

快恢复二极管

快恢复二极管（FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，它的最主要特点是它的反向恢复时间（trr)在几百纳秒（ns)以下，超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。所谓反向恢复时间（trr)，它的定义是：电流通过零点由正向转换成反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图2所示。

图中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时，正向电流I=IF。当t＞t0时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此，正向电流迅速减小，在t=t1时刻，I=0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。

应用场合：用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。

第三章

图示TTL电路，当输入Vi分别为3.6V和0.3V时，试定性分析电路中各晶体管的工作状态（四种工作模式之一），说明该电路的逻辑功能。设晶体管发射结的导通压降为0.7V。

定性分析该电路的动态特性：输入电压Vi波形如图所示，试画出输出电压V0波形，解释原因。

V0

解：

当输入Vi为3.6V时，T1管和T2管都同时导通，T1管工作在放大状态，T2管工作在深度饱和状态；若不考虑T2的存在，T1的基极电压VB≈VIH+VON=3.6V，但当T2存在的情况下，T2的发射结必然会导通，此时T1的基极电压被钳制在了1.4V，所以T1的基极电压实际上不可能是3.6V，只能是1.4V左右，T2管导通后处于深度饱和状态，它的集电极和发射极之间的饱和压降VCE（sat）≈0，故输出V0=0。

当输入Vi为0.3V时，T1管导通T2管截止，T1管工作在深度饱和状态，T2管工作在截止状态；此时T1管的发射结必然导通，导通后T1管的基极电压被钳制在VB≈VIH+VON=1.0V，由于T1管的集电极回路电阻是RC和T2管的b-c结反向电阻之和，阻值非常大，因而T1管工作在深度饱和状态，使集电极和发射极之间的饱和压降VCE（sat）≈0，因此T2管的发射结不会导通，故T 2管工作在截止状态，RC上几乎无电流通过，故输出V0=+5V。

由以上分析可知，当输入为高电平是输出为低电平，而输入为低电平时输出为高电平，因此输入与输出之间是反相关系，所以该电路的逻辑功能就是一个反相器（非门）。 在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流iC的变化将滞后于输入电压Vi的变化。在接成三极管电路以后，电路的输出电压V0的变化也必然滞后于输入电压Vi的变化，故输出波形如图3： (+5V) C 0 t

第四章

说明HEMT（高电子迁移率晶体管）相对于MESFET（金属—半导体场效应晶体管）的主要优点，解释原因。

解：

砷化嫁（GaAs）晶体是一种电学性能优越的III—V族化合物半导体材料，以其为衬底制作的半导体器件及其集成电路由于具有信息处理速度快、超高频、低功耗、低噪声等突出的优点而得到广泛应用。HEMT（高电子迁移率晶体管）和MESFET（金属—半导体场效应晶体管）是GaAs电路中最常用，也是最成熟的器件。

HEMT的主要优点是：①有优良的迁移率 →可使电路实现超高频、超高速而且噪音低。

②在极低温度下都不会“冻结”→不会复合消失。

③沟道中的电子集中在紧靠界面的很小(10~20nm) 范围内→短

沟道效应很弱，有利于缩短沟道。

④低压工作。

E

n+-AlGaAs

EV1 EC2 EF EV2

图4 异质结能带图

由图4可以看出：当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，电子（或空穴）在平行于界面的平面内可自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制，有量子化的能级。以上异质结，重掺杂的n＋AlGaAs区提供电子，而电子的输运过程可以在不掺杂的GaAs二维电子气势阱中进行。由于两者在空间中是分开的，就可以消除电子在输运过程中所受到的电离杂质散射作用，从而大大提高电子的迁移率。

图5比较了调制掺杂沟道与体材料的迁移率，从图中可以看出，既然在MESFET和JFET中，沟道必须掺杂到适当的水平（>1017cm-3），因此在所有有的温度下，调制掺杂沟道的迁移率都高得多。

图5 在不同掺杂水平下，调制掺杂沟

道与体材料的迁移率的比较

调制掺杂异质结中的二维电子气除了具有非常高的迁移率以外，还具有一种独特的性质就是：即使在极低温度下都不会“冻结”——不会复合消失。因为提供这些二维电子气的电离杂质中心都是处在异质结的另一侧的，即在空间上自由电子与电离杂质中心是分离开来的，所以，当温度降低时，这些电子也无法回到杂质中心上去，从而在极低温度下它们也不会消失，能够正常工作。

相比MESFET，HEMT增加了一层AlGaAs势垒，因而它能够承受更高的栅压，既然HEMT对沟道厚度没有限制（L/a≥π），那么它也具有更好的按比例缩小能力。

HEMT的另一个优点是低压工作，这是因为驱动器件进入速度饱和需要的εc小。

第五章

试论述非挥发性存储器的类型和工作原理。

非挥发半导体存储器有如下几种类型：

掩膜编程ROM——存储器的内容由制造商灌入，在制造好后，内容不能再编程，掩膜编程ROM有时被简单的称为ROM。

PROM（可编程ROM）——可编程ROM有时被称为场可编程ROM或可熔连接ROM，阵列的连通性由用户通过烧断或反烧断技术来编程，在编程以后，PROM可以像ROM一样工作。

EPROM（可擦除可编程ROM）——在电可编程ROM中，编程是由将热电子注入或遂穿到浮栅上实现的，他需要对源和控制栅进行偏置，用紫外线或X射线曝光可以实现整体擦除，他不能有选择的擦除。

Flash EEPROM（闪存电可擦除编程ROM）——Flash EEPROM能用电擦除，但只能大块单元同时擦除，它没有字选择线，一个单元只有一个晶体管，因此，它是EPROM和EEPROM的折衷。

EEPROM（电可擦除可编程ROM）——在电可擦除编程ROM中，不仅可以电擦除，而且有字选择线，为了实现选择性擦除，每一个单元需要一支选择晶体管，这样一个单元有两支晶体管。

非挥发RAM——该存储器可以看成具有很短编程时间和高保存时间的非挥发SRAM或EEPROM。

对常规MOSFET的栅极加以改动，使得栅叠层内有可能存储半永久电荷时，新的结构就成为非挥发存储器。非挥发存储器有两大类：一类为浮栅器件，另一类为电荷陷阱器件。在两类器件中，电荷均从硅衬底通过第一绝缘体注入并存储于浮栅内或存储于氮化物界面，存储的电荷引起阈值电压移动，器件处于高阈值电压状态（可编程），为了使器件返回到低阈值电压状态（被擦除），可以施加栅电压或采取其他措施（例如紫外光）来擦除存储电荷。

浮栅器件工作原理：在浮栅器件中，电荷被注入到浮栅中以改变阈值电压，有两种编程的方式：一是热电子注入，另一个是Fowler—Nordheim遂穿。在漏端附近，横向电场达到最大值，载流子（电子）从电场获得能量，变成热电子，当热电子的能量大于Si/SiO2界面的势垒时，它们就能越过势垒注入到浮栅上。在常规的MOSFET中，热电子注入电流会引起等值的栅电流。

除了热载流子注入外，电子也可以通过遂穿注入，在这种编程方式中，底部氧化层的电场更关键，当正电压Vg加到控制栅时，在两种绝缘体的每一种内均建立起电场。

编程的机理无论是热电子注入还是遂穿，在充电后，因为栅是浮的，所以总的存储电荷Q等于注入电流的积分。

为了擦除存储的电荷，可在控制栅上加上负电压，或在源/漏加正电压，擦除过程与上

面所描述的遂穿过程相反，存储的电荷通过遂穿离开浮栅到达衬底。

电荷陷阱器件工作原理：在编程开始时，修正的Fowler—Nordheim遂穿可以产生较大电流，电流传导受限于氮化硅膜中Frenkel-Pool输运，当负电荷开始建立时，氧化层电场减小，电流开始受限于修正的Fowler—Nordheim遂穿，氧化层的厚度选择对编程速度影响很大，氧化层越薄，编程时间越短，因为氧化层太薄将导致已俘获的电荷通过遂穿返回硅衬底，所以需要在编程时间与电荷保持时间之间平衡。

在擦除动作中，在栅上加大的负偏压，通常认为，放电过程是由于被俘获的电子通过遂穿返回到衬底。