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。

5V 图示TTL 电路，当输入V i 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V i 波形如图所示，试画出输出电压V 0波形，解释原因。

解：当输入V i 为3.6V 时，T 1管和T 2管都同时导通，T 1管工作在放大状态，T 2管工作在深度饱和状态；若不考虑T 2的存在，T 1的基极电压V B ≈V IH +V ON =3.6V ，但当T2存在的情况下，T 2的发射结必然会导通，此时T 1的基极电压被钳制在了1.4V ，所以T 1的基极电压实际上不可能是3.6V ，只能是1.4V 左右，T 2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V CE （sat ）≈0，故输出V 0=0。

当输入V i 为0.3V 时，T 1管导通T 2管截止，T 1管工作在深度饱和状态，T 2管工作在截止状态；此时T 1管的发射结必然导通，导通后T 1管的基极电压被钳制在V B ≈V IH +V ON =1.0V ，由于T 1管的集电极回路电阻是R C 和T 2管的b-c 结反向电阻之和，阻值非常大，因而T 1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V CE （sat ）≈0，因此T 2管的发射结不会导通，故T 2管工作在截止状态，R C 上几乎无电流通过，故输出V 0=+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i C 的变化将滞后于输入电压V i 的变化。

在接成三极管电路以后，电路的输出电压V 0的变化也必然滞后于输入电压V i 的变化，故输出波形如图3：3.6V0.3V V iV 0 +V CC (+5V)R B R C T 1 T 2 V i3.6Vt 0V 00 t V i3.6Vt 0 V 0 0 t图3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。

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。