1、pn結(jié)二極管的兩個基本特性開關(guān)特性整流特性突變結(jié)模型近似摻雜分布是階躍函數(shù)。在n型和p型半導(dǎo)體的凈摻雜濃度皆為常數(shù)。 雜質(zhì)完全電離。即n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的平衡電子濃度分別為：nn0=ND和pp0=NA忽略雜質(zhì)引起的帶隙變窄效應(yīng)。但需要考慮摻雜引起的費米能級變化，對簡并態(tài)，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的費米能級分別處于導(dǎo)帶底和價帶頂。pn結(jié)平衡能帶圖接觸后平衡態(tài)下的費米能級就是上圖的EF內(nèi)建電勢差在沒有外接電路的情形下，擴散過程不會無限延續(xù)下去。此時會到達(dá)一種平衡，即擴散和漂移之間的動態(tài)平衡，相應(yīng)產(chǎn)生的電勢差稱為接觸電勢差。由于是自身費米能級不同產(chǎn)生的，因此常稱為自建勢或內(nèi)建勢電子和空穴的內(nèi)建電勢

2、差大小區(qū)別對于同質(zhì)結(jié)，他們的大小是一樣的，對于異質(zhì)結(jié)不一樣。突變結(jié)電場強度與電勢分布電場分布圖 大小電勢分布圖 由大小求出耗盡區(qū)及其寬度，在各自n區(qū)、p區(qū)的耗盡寬度與什么有關(guān)？定義：在半導(dǎo)體pn結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)中，由于界面兩側(cè)半導(dǎo)體原有化學(xué)勢的差異導(dǎo)致界面附近能帶彎曲，從而形成能帶彎曲區(qū)域電子或空穴濃度的下降，這一界面區(qū)域稱為耗盡區(qū)。寬度：關(guān)系：單邊突變結(jié)及其平衡時的能帶圖外加正偏壓、負(fù)偏壓下的pn結(jié)能帶圖pn結(jié)電壓與外加偏壓關(guān)系外加反偏電壓Vj=Vtotal=Vbi+VR;外加正偏電壓Vj=Vtotal=Vbi-VR擴散電流 勢壘降低，位于中性區(qū)或準(zhǔn)中性區(qū)的多數(shù)電子或空穴通過擴散穿過pn

3、結(jié)皆產(chǎn)生從n到p或p到n的凈電子、凈空穴擴散流，相應(yīng)地皆為從p區(qū)至n區(qū)的凈擴散電流;從n區(qū)擴散到p區(qū)的電子將成為p區(qū)中的過剩少數(shù)載流子，將發(fā)生遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的方向擴散和復(fù)合，過剩電子濃度將逐漸減小。此時，由于中性p區(qū)無電場，因此電子主要以擴散方式流入p區(qū)，故稱過剩少數(shù)載流子電流為擴散電流或注入電流。少子注入及表達(dá)式 給pn結(jié)外加正向偏壓時，少子被注入了，np=np0exp(qVa/kT)少子抽取 給pn結(jié)外加反向偏壓時，少子被抽取了，np=0長基區(qū)原型二極管 電流主要為擴散電流，同時結(jié)兩邊的準(zhǔn)中性區(qū)的長度遠(yuǎn)大于區(qū)域中少子的擴散長度(電子為Ln，空穴為Lp)什么是pn結(jié)二極管的理想電流？理想電流電壓方

4、程如何？理想因子？反向飽和電流或電流密度？并畫出電流電壓關(guān)系簡圖定義(假設(shè))a耗盡層突變近似。空間電荷區(qū)的邊界存在突變;耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體區(qū)域為電中性，且多子濃度基本上等于平衡時的濃度。b半導(dǎo)體為非簡并，載流子統(tǒng)計分布采用麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計。c小注入條件。在結(jié)的任何一邊，任何位置的少子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多子濃度。d電流分布。在中性區(qū)或準(zhǔn)中性區(qū)，和擴散電流相比，少子的漂移電流可忽略;pn結(jié)內(nèi)的電流值處處相等;pn結(jié)內(nèi)的電子電流與空穴電流分別為連續(xù)函數(shù);耗盡區(qū)內(nèi)的電子電流與空穴電流為恒定值。方程：理想因子：一般情形下，電流密度J通常近似為右圖：其中，Js為Jrec和J0的函數(shù)，n為二極管的品質(zhì)因子或

5、理想因子電流密度：總反偏電流密度為理想反向飽和電流密度與反向產(chǎn)生電流密度之和，即 關(guān)系簡圖： 短基區(qū)二極管 對長基區(qū)二極管，注入的過剩載流子可以完全通過復(fù)合來衰減。在雙極結(jié)型晶體管中，基區(qū)n區(qū)寬度wB(不包括耗盡區(qū))很薄(短基區(qū)二極管)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子如空穴的擴散長度。而在p區(qū)，仍足夠長。反偏產(chǎn)生電流反偏時在耗盡區(qū)，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子被電場掃出形成反偏產(chǎn)生電流正偏復(fù)合電流正偏時，空穴注入到n區(qū)時經(jīng)過耗盡區(qū)，此時由于電子注入也經(jīng)過耗盡區(qū)，因此耗盡區(qū)存在兩種過剩載流子將發(fā)生復(fù)合而損失，由此造成p區(qū)須將額外向n區(qū)注入空穴、n區(qū)向p區(qū)額外注入電子的流動而形成復(fù)合電流。試畫出正偏壓下pn結(jié)的準(zhǔn)費米能級

6、分布同“外加正偏壓、負(fù)偏壓下的pn結(jié)能帶圖”正偏壓下，最大復(fù)合速率位于pn結(jié)何處？由d(1/RN)/dn=0可求出最大復(fù)合率對應(yīng)的位置滿足右圖pn結(jié)接觸處存在一復(fù)合率尖峰，即最大復(fù)合率對應(yīng)的位置。復(fù)合電流和擴散電流與電壓的變化關(guān)系有什么不同？復(fù)合電流考慮下的pn結(jié)電流電壓關(guān)系如何表述？J=Js(exp(qVa/nkT)-1) 對于復(fù)合電流n=2，對于擴散電流n=1，而lnJ=lnJs+(q/nkT)Va，畫出lnJ-Va圖，擴散電流的斜率是復(fù)合電流的兩倍。電流電壓關(guān)系J=Js(exp(qVa/nkT)-1)串聯(lián)電阻效應(yīng) 串聯(lián)電阻包含兩部分通過中性區(qū)的電壓降IR接觸阻抗大注入效應(yīng) 大注入時，注入

7、的少子濃度和多子濃度接近，如在n端耗盡區(qū)邊界處：（右圖）隧穿電流 高電場下,價帶中的電子越過禁帶或勢壘進入到導(dǎo)帶中的空態(tài)而形成的電流。雪崩倍增電流 由碰撞電離引起，即高電場下，熱平衡電子被耗盡區(qū)電場加速碰撞價帶中的電子形成電子空穴對，并持續(xù)發(fā)生而形成的電流。反向擊穿 當(dāng)二極管的反向電流超過某一定值時，就可認(rèn)為擊穿。但擊穿后的器件并沒有真正損壞，因此擊穿是可逆的。擊穿電壓：對Si的pn結(jié)，擊穿電壓大于8V，主要為雪崩擊穿；電壓小于6V時，主要為隧穿擊穿。結(jié)電阻或擴散電阻 結(jié)電阻為熱電壓和直流偏置點處的電流比值；結(jié)電阻隨偏置電流的增加而減小，即與IV特性的斜率成反比。（右圖）存儲電荷電容或擴散電容

8、在交流電壓周期內(nèi)，注入的少子發(fā)生了周期性的充、放電，產(chǎn)生的電容稱為擴散電容或存儲電荷電容。有效存儲電荷/渡越時間 其中為少子的平均渡越時間，簡稱渡越時間。結(jié)電容、耗盡層電容或勢壘電容由于耗盡區(qū)內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷在空間上是分離的，故pn結(jié)具有了電容的充放電效應(yīng)。當(dāng)VR增加dVR時，n區(qū)內(nèi)形成額外的正電荷，同時在p區(qū)形成額外的負(fù)電荷。勢壘電容定義為： 其中，最終小信號下，理想正偏pn結(jié)二極管的等效電路圖（右圖）pn結(jié)二極管關(guān)瞬態(tài)時的存儲時間如何使pn結(jié)二極管快速關(guān)斷？較大的反偏電流IR;降低少子壽命，即減小擴散長度：通過引入復(fù)合中心，如Si中的Au或Cu；其它：減小輕摻雜區(qū)厚度(短基區(qū))或進行梯度

9、摻雜分布。超突變結(jié) 線性緩變結(jié)文字定義：在E-B結(jié)(n+p)中，p型B區(qū)摻雜濃度隨E-B結(jié)的距離增大而減小。這種半導(dǎo)體結(jié)稱為超突變結(jié)。在B-C結(jié)(pn)中，摻雜濃度皆隨離結(jié)距離增大而增大。而且，在B-C結(jié)附近的摻雜可近似為線性分布，稱之為線性緩變結(jié)。公式定義：對p+n單邊結(jié)，x>0處的n型摻雜濃度ND=BXm，m=0均勻摻雜，m=1是線性緩變結(jié)，m=負(fù)值是超突變結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料(一般是窄帶隙和寬帶隙)組成的結(jié)異質(zhì)結(jié)突變結(jié)、緩變結(jié) 突變結(jié)：帶隙由一種半導(dǎo)體直接變?yōu)榱硪环N半導(dǎo)體，如Ge/GaAs等 緩變結(jié)：兩種半導(dǎo)體的帶隙連續(xù)變化形成，如GaAs/Al1-xGaxA

10、s異質(zhì)結(jié)等異質(zhì)結(jié)類型以及能帶示意圖跨騎型或I型交錯型或II型錯開型或III型同型異質(zhì)結(jié)和反型異質(zhì)結(jié)摻雜類型相同的稱為同型異質(zhì)結(jié)(Nn和Pp)相反的稱為反型異質(zhì)結(jié)(Np和Pn)電子親和勢模型 假設(shè)條件：半導(dǎo)體材料參數(shù)直到冶金結(jié)處都不變；半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)相近或相等；真空能級連續(xù)；異質(zhì)結(jié)能帶圖由兩種半導(dǎo)體材料的親和能、電離能或帶隙決定。根據(jù)接觸前異質(zhì)結(jié)能帶畫出熱平衡后的能帶圖Pn反型異質(zhì)結(jié) nN同型異質(zhì)結(jié)二維電子氣以及緩變結(jié)的使用原因？ 減少電離雜質(zhì)散射，提升電子的遷移速率隧穿誘導(dǎo)偶極層 如果異質(zhì)結(jié)中兩種半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)不同，而且價帶頂能量差較大，此時在界面處將產(chǎn)生電偶極層，如GaAs/Ge

11、異質(zhì)結(jié)。量子阱 如在跨騎型GaAs/Al0.3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)GaAs層的厚度降低到和電子的德布羅意波長相當(dāng)時，GaAs中的載流子出現(xiàn)量子現(xiàn)象，即電子在垂直方向呈量子化且被限制在GaAs中。具有這種結(jié)構(gòu)的稱為量子阱，GaAs稱為阱層，而AlGaAs稱為壘層。超晶格 當(dāng)壘層的厚度降低到量子阱之間的波函數(shù)發(fā)生相互作用，由量子阱中的量子限制能級變成了子能帶，稱為超晶格。量子阱帶間躍遷吸收、子帶間躍遷吸收帶之間的躍遷吸收 子帶之間的躍遷吸收肖特基勢壘肖特基二極管的電流產(chǎn)生機制 電子從金屬流向半導(dǎo)體(ms)：勢壘高度為B0，理想情況下不隨外加電壓變化；電子從半導(dǎo)體流向金屬(sm)：勢壘或內(nèi)建電

12、勢差隨外加電壓變化，類似于pn同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)。肖特基二極管的電流電壓與pn結(jié)二極管的電流電壓特性的區(qū)別一般而言，肖特基二極管的理想反向飽和電流密度比pn結(jié)要大23個數(shù)量級；因此，反向偏壓下的pn結(jié)產(chǎn)生電流密度比起JsT可忽略不計，即JsT>>Js 反向偏壓下肖特基二極管存在較大的隧穿電流。 由于小的內(nèi)建電勢差，在相同的正向偏壓下，肖特基二極管的正向電流比pn結(jié)的大。 有效開啟電壓不同(勢壘高度的不同)。 金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸 接觸電阻很低的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，在金屬和半導(dǎo)體兩邊都能形成電流。理想情況下，通過歐姆接觸形成的電流-電壓為線性關(guān)系，且電壓較低(或接觸電阻很低)。熱平衡時，金

13、屬半導(dǎo)體歐姆接觸的能帶圖右圖重?fù)诫s半導(dǎo)體與金屬形成的隧道效應(yīng)對金屬-n+結(jié)，由于半導(dǎo)體進行了重?fù)诫s，此時的空間電荷區(qū)寬度非常薄，電子將容易隧穿通過勢壘。比接觸阻抗 反映金屬和半導(dǎo)體歐姆接觸的阻抗晶體管類型、組成名稱和電路符號兩種類型：npn和pnp 組成名稱：發(fā)射極、集電極、基極電路符號（npn和pnp）平衡態(tài)能帶圖（npn和pnp)工作模式以及對應(yīng)的輸入、輸出參數(shù)共基極：基極被輸入和輸出電路所共用共發(fā)射極：射極被輸入和輸出電路所共用四種工作區(qū)域名稱以及相應(yīng)pn結(jié)的偏置情況正向有源或放大模式VBE正偏，VBC反偏電壓飽和VBE正偏，VBC正偏反向有源VBE反偏，VBC正偏截止VBE反偏，VBC

14、反偏晶體管的放大作用 對共發(fā)射極，電流增益為=IC/IB試畫出npn和pnp晶體管正向有源模式下的能帶圖共基極電流增益共發(fā)射極電流增益共基極電流增益共發(fā)射極電流增益設(shè)則發(fā)射區(qū)發(fā)射效率 基區(qū)輸運系數(shù) 三者關(guān)系 試畫出npn晶體管共基極組態(tài)下載流子引起的各電流組元，并分別解釋它們的含義。IEp：發(fā)射區(qū)空穴電流ICp：集電區(qū)空穴電流IBB：EB正偏下的復(fù)合電流Irec，其中IBB=Irec=IEpICpIEn：基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，一般希望很小ICn：集基結(jié)附近集電區(qū)由熱產(chǎn)生的載流子流向基區(qū)形成的電流正向有源、飽和、反向有源、截止工作區(qū)域時少子分布（以npn晶體管為例）影響雙極晶體管電流增益的非

15、理想因素有哪些？并就其中2點做出簡要說明。發(fā)射區(qū)禁帶變窄效應(yīng)非均勻摻雜效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)正偏大注入效應(yīng)EB結(jié)內(nèi)的復(fù)合電流電流集邊和基區(qū)電阻效應(yīng)簡要說明xB為有效基區(qū)寬度，物理寬度和耗盡區(qū)寬度的差。因此，當(dāng)CB結(jié)反偏電壓VCB增加(以及VCE)時，xB將減小，同時基區(qū)少子梯度變大。這種效應(yīng)為基區(qū)寬度調(diào)制，又稱厄利效應(yīng)由于基區(qū)的某些區(qū)域較薄(發(fā)射極下面)，將引起較大電阻和橫向壓降，從而電流也隨位置分布，即發(fā)射極電流聚集在與基區(qū)接觸的邊緣，稱為電流集邊?；鶇^(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)/厄利效應(yīng) 見上面晶體管穿通擊穿 當(dāng)集電極電壓繼續(xù)增加時，BC結(jié)的耗盡區(qū)變寬，有可能導(dǎo)致xB為0。此時，CB結(jié)耗盡區(qū)和EB結(jié)耗盡區(qū)

16、連在一起。注入到基區(qū)的電子很快被掃向集電區(qū)，電流急劇增加，從而基區(qū)失去對IC的控制。亦即晶體管作用消失，發(fā)生穿通基區(qū)擴展效應(yīng) 小注入下的JC較低，因此nmin值很小，可忽略。大注入時，WB不為0，一方面在高電場下向集電區(qū)加速運動，直至速度飽和；另一方面，增加了電子勢能EC和EV，即增大了基區(qū)有效寬度，從而電流增益降低。電流集邊效應(yīng) 由于基區(qū)的某些區(qū)域較薄(發(fā)射極下面)，將引起較大電阻和橫向壓降，從而電流也隨位置分布，即發(fā)射極電流聚集在與基區(qū)接觸的邊緣，稱為電流集邊?；旌夏Ｐ偷碾娐泛唸D（右圖）截止頻率、截止頻率特征頻率、最高振蕩頻率關(guān)系a截止頻率共基極下電流增益降到下頻率b截止頻率共發(fā)射極電流增

17、益降到下頻率特征頻率b=1時對應(yīng)頻率（又稱截止頻率）最高振蕩頻率fmax增益=1時頻率渡越時間 晶體管中從發(fā)射區(qū)注入的載流子需要穿過基區(qū)和BC結(jié)耗盡區(qū)，再被集電區(qū)收集。這個過程需要一定的時間，稱為渡越時間(實際上也包括EB結(jié)和BC結(jié)電容的充放電時間)。存儲時間（影響晶體管開關(guān)速度的）由于電容的存在，晶體管用在開關(guān)電路中的開關(guān)速度將取決于電容的充放電時間。尤其是基區(qū)，涉及到與少子電荷存儲的注入和清除，這個時間的快慢直接影響電路的開關(guān)速度。肖特基鉗位晶體管 SCT是在n-p-n晶體管的基極與集電極之間加接有一個SBD的BJT，可以提高開關(guān)速度：減小電荷存儲時間或降低電荷存儲數(shù)量異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 是

18、發(fā)射區(qū)、基區(qū)和收集區(qū)由禁帶寬度不同的材料制成的晶體管。特征是均勻摻雜組份漸變HBT光電導(dǎo)增益 吸收區(qū)光生載流子電荷被收集的速率(實則是光電流IL)與光激發(fā)產(chǎn)生電荷的速率之比 右圖光電二極管施加反偏電壓的pn結(jié)二極管，當(dāng)光照發(fā)生時，二極管的反向電流急劇增加。瞬時光電流 在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的光電流對光照反應(yīng)很快，故稱作延遲光電流 在中性區(qū)光生載流子的電流是由擴散產(chǎn)生的，相對比較慢，因此雪崩光電二極管 在PIN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加反向偏壓(200V量級)，使之發(fā)生碰撞電離，此時的光電流增益約在20-50，稱為太陽能電池 在pn結(jié)沒有施加電壓(但結(jié)區(qū)存在電場)的半導(dǎo)體光電器件，將光能轉(zhuǎn)換成電能并傳遞給負(fù)

19、載，往往需要相當(dāng)大的面積。 太陽光光譜 AM0 ：太陽照射角度為0度，在大氣層外AM1 ：太陽照射角度為0度，在大氣層內(nèi)AM1.5 ：太陽照射角度為48.2度光電探測器響應(yīng)度 光電流密度JL與入射光功率Pin的比值聚光太陽能電池 通過聚光器將陽光聚在小面積上形成“焦斑”或“焦帶”，并將其置于“焦斑”或“焦帶”上，從而獲得更多的電能輸出的太陽能電池。多結(jié)太陽能電池 針對太陽光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導(dǎo)體材料做成多個太陽能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結(jié)太陽能電池光致發(fā)光 通過光激發(fā)產(chǎn)生過剩載流子而復(fù)合發(fā)光，適合各種薄膜和低維結(jié)構(gòu)電致發(fā)光 通過電流激發(fā)而發(fā)光，主要用于器件結(jié)構(gòu)LED內(nèi)量

20、子效率 輻射復(fù)合Rr與整個過程的總復(fù)合率R(包括非輻射復(fù)合Rnr)之比；LED經(jīng)輻射復(fù)合的光子數(shù)與入射到LED有源區(qū)的光子數(shù)或注入的電子數(shù)之比下圖LED外量子效率以及損耗機制外量子效率：LED器件產(chǎn)生光子后，由于光子的隨機發(fā)射，將不能全部出射，最終出射的光子數(shù)與入射的光子數(shù)或注入的電子數(shù)之比。 三種損耗機制：再吸收、菲涅耳損耗臨、界角損耗或內(nèi)部反射損失Burrus發(fā)光二極管在LED表面刻蝕一個阱，光纖插入阱中，再用環(huán)氧樹脂填充邊發(fā)射發(fā)光二極管 利用內(nèi)部全反射原理 設(shè)計優(yōu)勢：上下折射率差異，使光限制在相對小的有源區(qū)發(fā)生全部反射，有利于從邊緣、小區(qū)域和小角度出射，進而強化與光纖的耦合。LED的效率

21、衰減 GaN基LED隨著注入電流的增加效率衰減 LED效率的衰減主要有兩種情況，a量子井中電子空穴復(fù)合但并未產(chǎn)生光子，即所謂的非輻射復(fù)合。b電子空穴注入濃度不一，電子越過量子井而產(chǎn)生漏電流。上述兩種情況都可導(dǎo)致LED效率的衰減，導(dǎo)致這兩種情況發(fā)生的原因，主流說法包括俄歇復(fù)合；極化效應(yīng)；位錯密度；大的空穴質(zhì)量和低注入（載流子均勻性）。受激輻射 半導(dǎo)體激發(fā)態(tài)在入射光的作用下，出現(xiàn)與入射光頻率、相位相同的光子，且半導(dǎo)體回到基態(tài)的過程。粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn) 即激發(fā)態(tài)（E2）電子束大于基態(tài)（E1）電子束，以此產(chǎn)生光增益（發(fā)射的光子數(shù)超過入射的光子數(shù)）FP腔光反饋 出現(xiàn)光增益的光子到達(dá)兩邊的反射鏡時，除了一小部分出射形成激光外，絕大部分在菲涅耳反射下回到共振腔以產(chǎn)生更多的光增益，從而增加了光增益的時間，產(chǎn)生更強的激射。布拉格光柵根據(jù)光柵周期的長短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（<1m）和長周期（&