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第四章 pn结..

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第4章 pn 结1、对N A =1×1017cm -3，N D =1×1015cm -3的突变pn 结，通过计算比较其制造材料分别为Si 和GaAs 时室温下的自建电势差。

解：pn 结的自建电势)(ln 2iA D D n N N q kT V =已知室温下，0.026kT =eV ，Si 的本征载流子密度310100.1-⨯=cm n i ，代入后算得：eV V D 718.0))100.1(101101ln(026.02101517=⨯⨯⨯⨯⨯=GaAs 的本征载流子密度36101.2-⨯=cm n i ，代入后算得：eVV D 537.1)101.2101101ln(026.061517=⨯⨯⨯⨯⨯=2、接上题，分别对Si 结和GaAs 结求其势垒区中1/2势垒高度处的电子密度和空穴密度。

解：根据式(4-14)，该pn 结势垒区中qV D -qV (x )=1/2qV D 处的热平衡电子密度为])(exp[])(exp[)(00kT qV x qV N kT qV x qV n x n DD D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得3901001.1-⨯=cm n 对于GaAs ：代入数据计算得3201046.1-⨯=cm n根据式（4-17），该处的空穴密度为])(exp[])(exp[)(200kT x qV qV N n kT x qV qV p x p D D i D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得31001092.9-⨯=cm p 对于GaAs ：代入数据计算得31001004.4-⨯=cm p3、设硅pn 结处于室温零偏置时其n 区的E C - E F =0.21eV ，p 区的E F -E V =0.18eV 。

(a)画出该pn 结的能带图；(b)求p 区与n 区的掺杂浓度N A 和N D ；(c)确定接触电势差V D 。

解：（b ）假定室温下p 区和n 区的杂质都已完全电离，则平衡态费米能级相对于各自本征费米能级的位置可下式分别求得：)exp(kT E E N N F C C D --=;)exp(kT E E N N VF V A --=室温下319319101.1,108.2--⨯=⨯=cm N cm N V C代入数据可得：31519107.8)026.021.0exp(108.2-⨯=-⨯=cm N D代入数据可得：31619101.1)026.018.0exp(101.1-⨯=-⨯=cm N A(c) 接触电势差可表示为2ln i A D D n N N q kT V =代入数据得：eV V D 72.0)100.1(101.1107.8ln 106.1026.0210161519=⨯⨯⨯⨯⨯=-4、一硅突变pn 结的n 区n =10cm ，p =5s ；p 区p =0.1cm ，n =1s ，计算室温任意正向偏压下:：(a)空穴电流与电子电流之比；(b)反向饱和电流密度；(c)0.5V 正向电压下的电流密度。

解：解：由cm n ⋅Ω=10ρ，查得314105-⨯=cm N D ，s V cm p ⋅=/5003μ由cmp ⋅Ω=1.0ρ，查得317103-⨯=cm N A ，s V cm n ⋅=/5003μ 由爱因斯坦关系可算得相应的扩散系数分别为s cm q kT D p p /13500026.02=⨯==μ，s cm q kTD n n /13500026.02=⨯==μ相应的扩散长度即为cm D L p p p 361006.810513--⨯=⨯⨯==τ,cmD L n n n 36106.31013--⨯=⨯==τ对掺杂浓度较低的n 区，因为杂质在室温下已全部电离，3141050-⨯=cm n n ，所以35142102105.4105)105.1(00-⨯=⨯⨯==cm n n p n i n对p 区，虽然N A =3*1017cm -3时杂质在室温下已不能全部电离，但仍近似认为p p0=N A ，32172102105.7103)105.1(0-⨯=⨯⨯==cm p n n p i p于是，可分别算得空穴电流和电子电流为)1(1016.1)1(1006.8105.413106.1)1(1035190-⨯=-⨯⨯⨯⨯⨯=-=---kT qUkT qUkTqUpn pp e e eL p qD J)1(103.4)1(106.3105.713106.1)1(1332190-⨯=-⨯⨯⨯⨯⨯=-=---kT qUkT qU kTqU npnn e e eL n qD J 空穴电流与电子电流之比 21310107.2103.41016.1⨯=⨯⨯=--n pJ J饱和电流密度：2101310/1016.1103.41016.100cm A L n qD L p qD J npnpn ps ---⨯=⨯+⨯=+=当U =0.3V 时：25026.03.010026.03.010/1033.11016.1)1(1016.1)1(cm A eeeJ J kTqUs ---⨯=⨯=-⨯=-=5、计算当结温从300K 上升到450K 时，硅pn 结反向饱和电流增加的倍数。

解：根据反向饱和电流J S 对温度的依赖关系：))0(exp()2/3(kTE T J g s -∝+γ式中，E g (0)表示绝对零度时的禁带宽度。

由于3/2T γ+比其后之指数因子随温度的变化缓慢得多，SJ 主要是由其指数因子决定，因而69.1590024.130024.145024.11084.8)300()450(⨯====e e e eK J K J K Ks s6、对题1所设的pn 结，求正偏压为U 伏时，电子和空穴的准费米能级在空间电荷区两侧边界x n 和x p 处距本征费米能级的距离。

解：对N A =1×1017cm -3，N D =1×1015cm -3的突变pn 结 对于Si 材料：当正偏压为U 伏时，)exp()(0kT qU n x n p p =,其中A i p N n n 20= 代入数据可以计算得：)exp(10)exp(101)100.1()exp()(3172100kT qU kT qU kT qU n x n p p =⨯⨯==电子准费米能级剧本征费米能级位置为：qUkT qUkT n x n kT E E ip Fi Fn +===-18.0))exp(10ln())(ln(3当正偏压为U 伏时，)exp()(0kT qU p x p n n =,其中D i n N n p 20= 代入数据可以计算得：)exp(10)exp(101)100.1()exp()(5152100kT qU kT qU kT qU p x p n n =⨯⨯==电子准费米能级剧本征费米能级位置为：qU kT qUkT n x p kT E E i n Fp Fi +===-30.0))exp(10ln())(ln(5对于GaAs 材料：当正偏压为U 伏时，)exp()(0kT qU n x n p p =,其中A i p N n n 20=代入数据可以计算得：)exp(1041.4)exp(101)101.2()exp()(517260kT qU kT qU kT qU n x n p p -⨯=⨯⨯==电子准费米能级剧本征费米能级位置为：qUkT qUkT n x n kT E E ip Fp Fi +-=⨯==--26.0))exp(1041.4ln())(ln(5当正偏压为U 伏时，)exp()(0kT qU p x p n n =,其中D i n N n p 20= 代入数据可以计算得：)exp(1041.4)exp(101)101.2()exp()(315260kT qU kT qU kT qU p x p n n -⨯=⨯⨯==电子准费米能级剧本征费米能级位置为：qU kT qUkT n x p kT E E i n Fp Fi +-=⨯==--14.0))exp(1041.4ln())(ln(37、 设硅pn 结两边的掺杂浓度分别为N D =5×1016cm -3和N A =2×1016cm -3，T =300K 。

求其在0.61V 正偏压下空间电荷区两侧边界处x n 和x p 的少子密度。

解：当正偏压为0.61V 时，)exp()(0kT qU n x n p p =,其中A i p N n n 20= 代入数据可以计算得：3131621001073.7)61.0exp(102)100.1()exp()(-⨯=⨯⨯==cmkT q kT qU n x n p p当正偏压为0.61V 时，)exp()(0kT qU p x p n n =,其中D i n N n p 20= 代入数据可以计算得：3131621001009.3)61.0exp(105)100.1()exp()(-⨯=⨯⨯==cmkT q kT qU p x p n n8、 对Ge 、Si 、GaAs 三种pn 结以Si 为准求另外两种在室温下的归一化反向饱和电流密度，设三种结的掺杂情况相同，载流子的寿命和迁移率也相同。

解：因为pp p n n n Di n A i p D L D L N n P N n n ττ====,,,2020对于Si ：pD i p n A i n SiR L N n qD L N n qD J 22,+=因为N A ,N D 相同，D p ，D n 相同，L n ，L p 相同所以)(,2,n D p n A ns s i Si R L N qD L N qD J J n J +=⋅=其中因此2)(,2)(,2)(,2)(,,Si i Ge i sSi i s Ge i Ge R n n J n J n J =⋅⋅=同理可得2)(,2)(,,Si i GaAs i GaAs R n n J =9、 若计入反偏压下空间电荷区的产生电流，并以J G /J RD =1作为pn 结反向特性偏离理想状态的表征，相应的反向电压即为偏离理想状态的临界电压。

以Si 为准求Ge 反偏pn 结的临界电压，设X D ∝U 1/2，并假定二者除本征载流子密度不同外，其余参数完全相同。

解：因为pp p n n n Di n A i p D L D L N n P N n n ττ====,,,2020反偏pn 结势垒区产生的电流密度为τ2Di G X qn J =反偏pn 结的扩散电流密度为npo n p nopRD L n qD L p qD J +=根据已知条件J G /J RD =1，带入上述公式得：1200=+nn np n p D i L qD L qD X qn τ化简进一步可得:1222=+nA i np D i p D L N n D L N n D X τ因为X D ∝U1/2，可以推出：2)(2i nA npD p n L N D L N D U ⋅+⋅∝τ有题目已知，二者出本证载流子密度不同外，其余参数完全相同，所以2)(2)(Si i Ge i SiGe nn U U ∝，所以SiSi i Ge i Ge U n n U ⋅=2)()()(10、 对N A =5×1016cm -3，N D =5×1015cm -3的硅pn 结，计算其室温零偏压下的x n ，x p ，X D和E max 。

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4-2第四章_PN结-2

4-2第四章_PN结-2


通常的发电系统如火力发电，就是燃烧 石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸汽， 推动发电机发电；原子能发电则是以核裂变放 出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电则是 利用水的落差能使发电机旋转而发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与传 统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也 不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。
太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池的典型结构如图所示。
单晶硅太 阳能电池通常是 以p型Si为衬底， 扩散n型杂质，形 成 如 图 (a) 所 示 结 构。为取出电流， p型衬底的整个下 表面涂银并烧结， 以形成银电极， 接通两电极即能 得到电流。
玻璃衬底非晶硅太阳能电池的典型结构如 图所示。
玻 璃衬 底非 晶硅太阳能电池是 先在玻璃衬底上淀 积透明导电薄膜， 然后依次用等离子 体反应沉积p型、I p I 型 和 n 型 三 层 a-Si ， 接着再蒸涂金属电 极铝，电池电流从 透明导电薄膜和电 极铝引出。
设入射光垂直pn结面。如果结较浅，光 子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。 能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结 的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载 流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度 却变化很大，因此应主要研究光生少数载流 子的运动。
无光照
光照激发
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边 的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结 进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结 两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端 产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压 V，使势垒降低为qVD-qV， 产生正向电流IF.
(完整版)第四章常用半导体--题库

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第四章常用半导体4.1 半导体的基本知识选择题：1.PN结的基本特性是：（ B ）A.半导性B.单向导电性C.电流放大性D.绝缘性正确答案是B，本题涉及的知识点是：PN结的基本特性。

2. 半导体中少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为：（ B ）A.扩散运动B.漂移运动C.有序运动D.同步运动正确答案是B，本题涉及的知识点是：PN结的形成相关知识。

3. 在PN结中由于浓度的差异，空穴和电子都要从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这就是：（ A ）A.扩散运动B.漂移运动C.有序运动D.同步运动正确答案是A，本题涉及的知识点是：PN结的形成相关知识。

6. N型半导体和P型半导体是利用了本征半导体的如下哪个特性（C）A．热敏性 B. 光敏性 C. 掺杂性正确答案是C，本题涉及的知识点是：本征半导体特性知识。

7. N型半导体是在本征半导体掺入（A ）A．5价元素 B. 3价元素 C. 导电杂质正确答案是A，本题涉及的知识点是：N型半导体的掺杂知识。

8. P型半导体是在本征半导体掺入（B ）A．5价元素 B. 3价元素 C. 导电杂质正确答案是B，本题涉及的知识点是：P型半导体的掺杂知识。

9. N型半导体中多数载流子是（A ）A．自由电子 B. 空穴 C. 自由电子和空穴 D.电子正确答案是A，本题涉及的知识点是：N型半导体的多数载流子知识。

10. P型半导体中多数载流子是（B ）A．自由电子 B. 空穴 C. 自由电子和空穴 D.电子正确答案是B，本题涉及的知识点是：P型半导体的多数载流子知识。

4.2 半导体二极管选择题：4.如图所示电路，输入端A的电位U A＝+3V，B点的电位U B＝0V，电阻R接电源电压为-15V，若不计二极管的导通压降，输出端F的电位U F为：（ A ）A ．3V B. 0V C. 1.5V D . -16V正确答案是A ，本题涉及的知识点是：二极管优先导通问题。

5.如图所示电路，输入端A 的电位U A ＝+3V ，B 点的电位U B ＝0V ，电阻R 接电源电压为-15V ，若二极管的导通压降为0.7V ，输出端F 的电位U F 为： （ C）A ．3V B. 0V C. 2.3V D . -16V正确答案是C ，本题涉及的知识点是：二极管优先导通问题。

第四章pn结

第四章pn结


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空间电荷(space charge) ： 由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
耗尽区
• 耗尽区(abrupt junction) • 为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑两 种重要的例子，即突变结(abrupt junction)和线性缓变结 linearly graded junction)． • 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的pn结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突 然变换来近似表示．
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产生-复合和大注入影响 理想的二极管方程式，可以适当地描述锗p-n结在低电流密度时的电流-电压 特性．然而对于硅和砷化镓的p-n结，理想方程式只能大致吻合，因为在耗尽 区内有载流子的产生及复合存在． 首先，在反向偏压下，耗尽区内的载流子浓度远低于热平衡时的浓度．前一 章所讨论的产生和复合过程主要是通过禁带中产生-复合中心的电子和空穴发 射，俘获过程并不重要．因为俘获速率和自由载流子的浓度成正比，而在反 向偏压下耗尽区的自由载流子非常少．工作在稳态下，这两种发射过程交替 地发射电子和空穴。电子-空穴对产生可以由
电流电压特性
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实验讲义-功能材料专业资料

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功能材料专业实验大连民族大学物理与材料工程学院光电子实验中心目录第一章导电类型鉴别仪实验一材料导电类型鉴别实验第二章温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪实验二电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试第三章半导体热电特性综合实验仪实验三电阻温度计与非平衡直流电桥实验四半导体热电特性的研究第四章PN结正向特性综合实验仪实验五PN结正向压降与温度关系第五章传感器设计实验仪实验六应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验应变直流全桥的应用—电子秤实验应变片交流全桥的应用(应变仪)—振动测量实验实验七压阻式压力传感器的压力测量实验电容式传感器的位移实验实验八差动变压器的性能实验差动变压器零点残余电压补偿实验差动变压器的应用—振动测量实验实验九压电式传感器测振动实验线性霍尔式传感器位移特性实验磁电式传感器特性实验实验十热电偶的原理及现象实验第六章光电特性综合实验仪实验十一LED伏安特性（V-I）测试LED辐射强度空间分布及半值角的测量实验十二激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测量激光二极管光谱特性测量第一章导电类型鉴别仪一、概述PN-12型导电型号鉴别仪采用整流法(也称三探针法)和温差法(也称冷热探笔法来判断单晶(或多晶)硅的导电类型(N型或P型)，用N型和P型显示屏直接显示单晶(或多晶)导电类型。

二、技术性能1.可判断硅材料的电阻率范围：整流法：10-2Ω·Cm～104Ω·Cm；温差法：10-4Ω·Cm～105Ω·Cm；2.硅单晶直径及长度：不受限制；3.显示方式：用N型和P型显示屏直接显示；4.探头：整流法：采用三根探针，用高速钢针；温差法：采用冷热两根探笔，探笔材料为钨棒，热笔采用PTC发热体加热； (冷笔保持室温，热笔可被加热到60℃-150℃，温控仪设定)5.电源及功耗：AC 220V±10%，50Hz <20W6.外型尺寸：125mm(宽)×145mm(高) ×245mm(深)7.使用环境：温度：室温；相对湿度：<80%；无强高频电磁场影响。