【半导体光电子器件】课后习题答案和知识点汇总

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目录

第二章习题答案

第四章课后习题答案

第五章习题答案

第六章习题答案

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第二章习题答案

1.同质pn结与异质pn结有什么异同点？

答：相同点：都是pn结。因此，具备pn结的所有特点和性质。

不同点：同质结其pn结是由同种半导体材料构成，而异质结的pn结是由不同种半导体材料构成。同质结的形成通常是通过将两种不同掺杂类型的半导体材料直接接触而形成。在这种结构中，电子和空穴会在结界面上重组，形成一个空间电荷区。这个电荷区可以被用作半导体器件的基础结构，如二极管和发光二极管等。异质结的形成则需要不同种类的半导体材料，他们的晶格常数和键能不同。这种结构的形成会导致电荷的不均匀分布，从而产生电场，这个电场会影响电子和空穴的行为，从而形成其他类型的半导体器件。

2.硅突变二极管的掺杂浓度分别为：。试计算室温下，该pn结的自建电场、耗尽层宽度以及零偏压下的最大自建电场。

3.试画出pn结施加正向偏压和反向偏压时的能带结构示意图。

4.试推导pn结注入电流比，并说明提高电流注入比的方法。

答：

5.分析势垒电容和扩散电容的产生机制，两者的主要区别是什么？

答：pn结空间电荷区宽度随外加偏压变化，即空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化。当正向偏压上升时，空间电荷区变薄，需电子从n区流入空间电荷区补偿离化的固定施主正电荷，空穴从p区流入，补偿离化的固定受主负电荷。当正向电压下降时，空间电荷区展宽，空间电荷区边界外侧p区和n区分别释放出空穴和电子，使正、负空间电荷区展宽，电荷量增加。正、负空间电荷量随外加偏置电压同时、等量变化。pn结在反向偏置时情况类似。空间电荷区电荷量随外加偏压的变化，体现为电容效应，称为pn结势垒电容。

pn结扩散区积累的非平衡少子的数量随外加偏置电压的变化而变化，载流子带有电荷，因此这种现象表现为电容效应。当正向偏压提高时，空间电荷区边界非平衡少子浓度提高，扩散区积累的非平衡少子电荷量增加，相当于电容充电；反之，积累的少子电荷量减少，相当于电容放电。该现象发生在扩散区，其等效电容称为扩散电容。

主要区别：势垒电容的工作原理基于PN结势垒的改变，通过调节势垒宽度来控制电容值。当施加正向电压时，势垒缩小，电荷聚集增多，电容值增大。当施加反向电压时，势垒加深，电荷分布减少，电容值减小；扩散电容的工作原理基于掺杂浓度差异引起的电荷扩散过程。当施加正向电压时，电荷从高浓度区域向低浓度区域扩散，电荷分布改变，电容值增大。当施加反向电压时，电荷扩散减少，电容值减小。

6.pn结击穿的机制有哪些？击穿是都意味着损坏？为什么？

答：pn结反向电流很小，但是当反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。击穿是pn结的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。

击穿的机制有：pn结雪崩击穿、pn结热击穿、pn结隧道击穿。前两者一般不是破坏性的，如果立即降低反向电压，pn结的性能可以恢复；如果不立即降低电压，pn结就遭到破坏。pn结上施加反向电压时，如没有良好散热条件，将使结的温度上升，反向电流进一步增大，如此反复循环，最后使pn结发生击穿。由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿，此类击穿是永久破坏性的。

7.pn结的击穿电压与哪些因素有关？

答：击穿电压与半导体材料的性质、杂质浓度及工艺过程等因素有关。

8.什么是势垒接触和非势垒接触？如何形成欧姆接触？

答：金属与n型半导体接触时，若金属功函数大于半导体功函数，则在半导体表面形成一个正的电荷区，主要由电离施主正电荷构成，其电场方向指向体内，形成势垒，它是一个高阻的区域，常称为阻层，这类接触称为肖特基接触；若金属功函数小于半导体功函数，则在半导体表面形成一个负的空间电荷区，其电场方向指向体外，这个区域电子浓度大于体内，是一个低阻区，形成反阻挡层，这类接触称为欧姆接触。欧姆接触在接触处没有势垒，可以看成是一个纯电阻，并且该电阻越小越好。

半导体在重掺杂时，与金属形成的接触可以为理想的欧姆接触。

第四章课后习题答案

1.推导半导体附加电导率表达式。

2.分析半导体光电导产生的增益的机制（p107）。

答：光电导的增益是描述光电导在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。这些参数包括样品的结构及工作电压。光电导的增益为样品中每产生一个光生载流子所引起的流入外电路的载流子数。

由此可知，外部获得的电流值将是整个半导体内产生载流子的比率乘以增益g。

3.分析影响光电导响应时间的因素，并给出降低响应时间的措施。（p109）

4.光电探测器的噪声有哪些？分析其产生的机制和抑制措施。（p112）

5.分析半导体光电二极管反向饱和电流产生的机制及变化趋势。

二极管中：二极管上加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压无关，故称为反向饱和电流。

其根本在于PN结的单向导电性。反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，同时少数载流子是由本征激发产生的（当温度升高时，本征激发加强，漂移运动的载流子数量增加），当管子制成后，其数值决定于温度，而几乎与外加电压无关。当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移。

6.分析影响半导体光电二极管响应时间的因素和改善措施。（P109）

由于存在光电导弛豫现象，因此在施加以及撤去光照的瞬间，探测器输出电流的变化与光信号往往不同步，其间存在一个延迟，如图4-2-1所示。光照开启后，经过一段时间才能建立起光照稳定情况下的过剩载流子浓度，这段时间称为上升时间tr，与产生率、光强、吸收率有关。光电导探测器的输出电流为：

撤去光照后，光的产生率为0，经过一段时间后过剩载流子才能复合完，这段时间称为下降时间tf

，此时光电流随时间单调递减，即：

7.画出半导体光电二极管的交、直流等效电路，并说明各等效参数的物理含义。

光电二极管可以看成是一个恒流源和一个二极管，其等效电路如下图示。在正向偏压下，随电压的增加，电流很快增大，但作为光电探测器，它在正向偏置时没有使用价值。在反向偏压下，电流很快达到饱和，此电流即为光电探测器的暗电流。

与直流等效电路相比，二极管可以看成是一个电容和电阻的并联，其表达式分别为：

8.推导半导体pin型光电二极管量子效率表达式。

9.分析异质结pin型光电二极管的优势。

10分析雪崩光电二极管实现微弱探测的机制。

答：当光电二极管的pn结上加相当大的反向偏压时在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在该强电场内漂移的光生载流子获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞将产生新的电子-空穴对。新的电子-空穴对在强电场作用下，分别向相反的方向运动，在运动过程中，有可能与晶格碰撞，再一次产生新的电子-空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。因此，在高反向偏压下二极管耗尽层产生载流子雪崩倍增效应，而获得很高的光电流增益，其增益可达，所以其灵敏度很高，响应速度很快，可达适用于探测弱光信号。

 

 

第五章习题答案

1.分析表面沟道CCD和埋沟道CCD工作机制的异同点及各自优势

答：表面沟道CCD和埋沟道CCD是CCD的两种类型，都是由光敏单元、转移结构、输出结构组成的一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的光电传感器件。不同的是表面沟道CCD的电荷包存储在半导体和绝缘体之间的界面，并沿界面传输；而埋沟道CCD的电荷包存储在离半导体表面一定深度体内，并在半导体体内沿一定方向传输。

其各自优势如下：（1）表面沟道CCD的优点是电荷转移途径距离半导体-绝缘体分界面较近，工艺简单，动态范围大。缺点是信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率低，工作频率一般在10MHz以下；（2）埋沟道CCD的优点是转移效率提高，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。缺点是相对于表面沟道CCD成本较高。

2.画图说明CCD中电荷转移过程

答：

t0时刻，1高电平，2、3低电位，电荷存储在1中；t1时刻2从2V变为10V，1、2为高电位，3为低电位，1和2靠得很近，所以各自对应的势阱将合并在一起，原来在1中的电荷会变为在这两个电极下的势阱共有；1中电压从10V变为2V，2仍然为10V，则共有的电荷转移到2电极下的势阱中。

3.分析CCD光注入和电注入的工作机制及异同点。

答：光注入：光生电荷构成光信号电流；

电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。

4.画图说明CCD电流输出方式和过程（p148）。

5.比较说明浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出的异同点。

6.分析CCD传输过程中电荷损失的机制和抑制措施。

答：（1）与pn结一样，电荷运动包括在电场作用下的漂移运动和由于浓度梯度而产生的扩散运动。因此，较短的电极（高电场），高的表面迁移率和低掺杂的衬底有助于降低本征转移损失。由于

故n沟道CCD更有利于电荷转移；（2）当电荷沿SiO2/Si界面运动时，由于SiO2/Si界面存在着俘获少子的陷阱，如果在信号电荷未注入之前陷阱是空的，当信号电荷注入后，一部分电荷将被陷阱所俘获。而在信号经过电极的过程中，这些俘获的电荷又有一部分会重新从陷阱中发射出来。在这些发射出来的电荷之中，有些可以跟的撒好难过原来的信号电荷，有些却落在后面，这些落在后面的电荷就构成损失部分，它们只能加入到下面的信号，可以采用以下方法：（a）’胖零’工作模式。由于俘获率与空的界面态密度成正比，因此在‘胖零’工作模式下，不管有无信号电荷注入，都有一定的背景电荷在器件中通过，使界面态基本上被填满;

（b）采用埋沟CCD结构。为了避免界面态俘获产生的电荷转移损失，可以采用沟道形成离界面较远的埋沟CCD结构，从而使信号电荷迁移率与转移效率提高;

（c）由于（100）晶面衬底的界面态与SiO2层中的固定正电荷都较少，因此多选用（100）晶面做衬底。同时，在金属化后应在N2、H2气氛中烘焙，以降低界面态。

 

7.画出CMOS图像传感器的4管单元结构，并分析其工作原理。

1. t1时刻，复位管置为高电平，对浮置存储节点FD进行复位，复位完后，开始进入曝光周期。
2. t2时刻，对FD进行第一次采样，得采样电压V1，其中包含有复位噪声电压。此时复位管为低电平，浮置存储节点FD完全与光电二极管和电源Vdd实现隔离。
3. t3时刻，曝光结束，传输管TG开启。光电二极管收集的光生电荷转移至浮置存储节点FD中，FD的电势随着电荷的收集逐渐降低，最终趋于稳定。待电荷转移完成后，传输管TG关闭。
4. t4时刻，对FD进行二次采样，得采样电压U2。同样，求出两次采样的电压差值，即得到信号输出电压。

第六章习题答案

1. LED相对于其他传统照明方式的优势有哪些？

2. 答：（1）效率高。按照一般光效定义LED的发光效率并不算高，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，因此效率可达到80%-90%，而白炽灯的可见光转换效率仅为10%-20%，普通节能灯只有40%-50%左右。一般LED在相同的照明效果下比传统光源节能80%以上；（2）寿命长。LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在普通灯丝发热易烧、产生热沉积、光衰过快灯缺点，使用寿命高达数万小时，是传统光源寿命的10倍以上；（3）绿色环保。其废弃物不像荧光灯含汞，污染环境；废弃物没有污染、可回收，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。并且LED为冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外线和红外线；（4）光色纯，光线质量高。传统照明光源的光谱较宽，并且发光方向为整个立体空间，不利于配光和光线的有效利用；LED为单一颜色、光谱狭窄、谱线集中在可见光波段，色彩丰富、鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光，并且LED光源发光大部分集中会聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和制造成本；（5）应用灵活。体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形状；（6）安全。单体工作电压为1.5-5V，工作电流为20-70mA；（7）响应快。响应时间为纳秒级，白炽灯的响应时间为毫秒级；（8）控制灵活。通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。

 

2.LED的种类有哪些？

划分方法	类型
颜色划分	红光、橙光、绿光、蓝光、白光LED等
出光面特征划分	圆形灯、方形灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等
发光强度角划分	高指向性LED、标准型LED、散射型LED
封装结构划分	全环氧树脂、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装
光强度划分	普通亮度的（小于10mcd）、高亮度（10-100mcd）、超高亮度（大于100mcd）

 

3.白光LED的实现方式有哪些？请举例说明。

 

采用LED芯片获得白光方法	具体方法
蓝光LED芯片+黄色荧光粉	通过GaN蓝光LED 芯片得到蓝光，然后在其表面涂覆一层以钇铝石榴石为主要成分的荧光粉，荧光粉吸收部分蓝光后，重新发射出黄色荧光，黄光和蓝光混合后形成白光
红色+绿色+蓝色LED 芯片	通过不同颜色的单颗LED 芯片进行组合也可以得到白光。通过AlGaInP材料体系可以得到红色、橘红色、以及黄色LED 芯片。通过AlGaN材料体系可以得到绿色和蓝色芯片。
紫外LED 芯片+三色荧光粉	利用紫外LED 来激发三色荧光粉这种方式的优势在于，可以通过多种颜色荧光粉来提高其白光的颜色还原性。
多波长LED芯片	单个LED芯片可以发射多种波长的光并形成白光

 

1. LED内量子效率与外量子效率是如何定义的，提高外量子效率的措施有哪些？

答：LED（Light Emitting Diode，发光二极管）的内量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）是评价LED性能的一个重要参数，它反映了注入到LED内部的电子转化为光子的效率。内量子效率定义为每单位时间内注入到LED内部的电子数转化为光子数的比例。（1）内量子效率可以通过以下公式计算：

IQE=单位时间内产生的光子数/单位时间内注入的电子数。这里，“产生的光子数”是指LED内部由于电子-空穴复合而产生的光子数；“注入的载流子数”则是指注入到LED内部的电子或空穴的总数。可以通过以下步骤计算：

计算产生的光子数：首先需要计算LED产生的光子数。由于光功率（单位瓦特，W）可以表示为光子数与每个光子的能量的乘积，可以使用普朗克常数ℎ、光速��和波长��来计算每个光子的能量，并由此计算光子数。

 

 内量子效率受到多种因素的影响，包括：材料质量：材料中的缺陷、杂质等都会影响内量子效率。外延生长工艺：高质量的外延层对于提高内量子效率至关重要。PN结的设计：包括能带结构、量子阱的厚度和数量等。温度：温度的变化会影响载流子的复合效率，从而影响内量子效率。注入电流密度：随着注入电流密度的增加，内量子效率可能会发生变化。

（2）外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）：指LED产生的并逃逸到外部环境中的光子数与注入到LED内部的载流子数之比。外量子效率不仅包括了内量子效率（IQE），还考虑了光提取效率等因素，因此它是一个更全面反映LED整体光转换效率的参数。外量子效率可以通过以下公式计算：EQE=逃逸到外部的光子数/注入的载流子数。外量子效率的计算可通过以下步骤：

（a）测量输出光功率：首先需要测量LED产生的光功率（��_out），这通常是通过光功率计进行的。

 

5激光与一般的光有什么异同之处？

答：激光是一种高质量的光源，具有以下特点：

 

1. 方向性好。激光发射后发散角非常小，激光射出20公里，光斑直径只有20-30厘米，激光射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。
2. 单色性好。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。
3. 能量集中。由于激光的发射能力强，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
4. 相干性好。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。

 

 

6半导体激光器工作的三个必要条件是什么？

答：半导体激光器在电流注入下能够发出相干辐射光（相位、波长基本相同，强度较大），要使它能够产生激光，必须具备三个必要条件：有源区内粒子数反转分布（激光工作物质）、有源区光子限定（光学谐振腔）、激光振荡（泵浦源）。

7为什么常见的第一代半导体Si和Ge不能作为半导体激光器的有源区，而可以作为常用的光电探测器材料？

答：（1）直接带隙。半导体激光器需要具有较大的直接带隙，以确保发射的光子具有足够的能量，然而，Si和Ge都属于间接带隙材料，其带隙较小，不利于产生高能量光子。这使得在Si和Ge中实现正向电流注入并产生受激辐射困难。（2）非辐射复合速率高：Si和Ge的非辐射复合速率较高，即当电子和空穴重新重新结合时，可能通过非辐射途径（如声子散射）消耗能量而不产生光子。这导致在Si和Ge中难以实现有效的受激辐射过程，限制了激光器的性能。（3）结构和缺陷：Si和Ge的晶体结构相对松散，容易引入缺陷，这也会增加非辐射复合速率，并且对激光器的效率和稳定性产生不利影响。

在光电探测方面具有重要应用：（1）光吸收范围：Si和Ge能够在可见和红外范围内吸收光线，使其在光电探测器中可以实现高效的光吸收；（2）大光电探测增益：由于Si和Ge的载流子迁移率较高，以及与载流子复合相关的非辐射过程相对较慢，因此它们可用于制作高增益的光电二极管和光电探测器。

8基于爱因斯坦关系推导半导体激光器粒子数反转分布的条件。

答：

9解释半导体激光器的阈值电流、标称电流以及阈值增益的物理意义。

答：阈值电流是产生激光振荡的最小工作电流；标称电流：当量子效率为1时，激发有源层所需电流；阈值增益：光子从单位长度的介质内获得增益刚好抵消吸收、散射等损耗及光输出等，即最小电流激发激光时的增益。