第一篇：實驗六 半導體發光器件的電致發光測量1

實驗六 半導體發光器件的電致發光測量 081190088 楊靜

一． 實驗內容與目的

（1）了解半導體發光材料電致發光的基本概念。

（2）了解并掌握半導體顯微探針測試臺、光纖光譜儀的使用。（3）掌握半導體發光材料電致發光特性的測量方法。

二． 實驗原理概述 1．輻射躍遷

半導體材料受到某種激發時，電子產生由低能級向高能級的躍遷，形成非平衡載流子。這種處于激發態的電子在半導體中運動一段時間后，又回到較低的能量狀態，并發生電子—空穴對的復合。復合過程中，電子以不同的形式釋放出多余的能量。如躍遷過程伴隨著放出光子，這種躍遷成為輻射躍遷。作為半導體發光材料，必須是輻射躍遷占優勢。

導帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復合，伴隨的光子發射，稱為本征躍遷。顯然這種帶與帶之間的電子躍遷所引起的發光過程，是本征吸收的逆過程。對于直接帶隙半導體，導帶與價帶極值都在k空間原點，本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發光過程只涉及一個電子—空穴對和一個光子，其輻射效率較高。間接帶隙半導體中，導帶與價帶極值對應于不同的波矢k，這時發生的帶與帶之間的躍遷是間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小的多，發光比較微弱。

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如果將雜質摻入半導體，則會在帶隙中產生施主及受主的能級，因此又可能產生不同的復合而發光。電子從導帶躍遷到雜質能級，或雜質能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質能級間的躍遷都可以引起發光，這類躍遷稱為非本征躍遷。間接帶隙半導體本征躍遷幾率較小，非本征躍遷起主要作用。施主與受主之間的躍遷效率較高，多數發光二極管屬于這種躍遷機理。在施主—受主對的復合中，過剩電子、空穴先分別被電離的施主和受主看成點電荷，把晶體看作連續介質，施主與受主之間的庫倫作用力使受基態能量增大，其增量與施主—受主雜質間距離r成正比，所發射的光子能量為：

ην＝E－(E+E)＋

gq2DA4πεε0r

式中ED和EA分別為施主和受主的電離能，ε是晶體的低頻介電常數。對簡單的替位施主和受主雜質，r只能取一系列的不連續值，因此，施主—受主復合發光是一系列分離譜線，隨著r的增大，成為一發射帶。

2.電致發光

根據不同的激發過程，可以有各種發光過程，如：光致發光、陰極發光、電致發光等。

半導體的電致發光（EL），也稱場致發光，是由電流（電場）激發載流子，將電能直接轉變成光能的過程。EL包括低場注入型發光和高場電致發光。前者是發光二極管（LED）和半導體激光器的基礎。本實驗只涉及這類EL譜的測量。

發光二極管是通過電光轉換實現發光的光電子器件，是主要的半[鍵入文字]

導體發光器件之一，具有廣泛的應用，如各類顯示、數據通訊等。特別是通過白色發光二極管實現固體照明，不僅可以節省能源、減少污染，而且體積小、壽命長，因此固態照明已被全世界重視。

所有商用LED都具有P-N結結構，因此以P-N結的發光為例來說明注入發光機制。P型半導體是摻雜了受主雜質，而N型則是摻雜了施主雜質，將兩種材料放在一起，即得到P-N結。N型半導體中產生電子，P型半導體中產生空穴，在其中間產生耗盡層。P-N結處于平衡時，存在一定的勢壘區，場也相應地減弱。這樣繼續發生載流子的擴散，即電子由N區注入P區，同時空穴由P區注入到N區。進入P區的電子和進入N區的空穴都是非平衡少數載流子。這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光。

如果采用異質結，發光效率可以得到顯著的提高。由寬帶隙半導體材料隔開的中間發光區，兩種類型的過剩載流子從兩側注入并被限制在同一區域，過剩載流子數目顯著提高。隨著載流子濃度的提高，輻射壽命縮短，導致更為有效的輻射復合。如果中間有源區域減小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度與德布羅意波長相近，量子力學效應出現，載流子狀態密度變得更高，從而可以獲得更高的發光效率。這是目前商用LED的實際結構。

電致發光譜的測量系統的基本結構與光致發光測量裝置類似，主要區別是用高溫定度直流電源代替了光致發光譜測量中所用的激發光源。針對半導體發光器件的電致發光的測量中，電源與發光器件的連接通常在探針測試臺上進行，由金屬微探針壓在發光器件上預制的[鍵入文字]

電擊表面形成歐姆接觸，使直流電源輸出的電壓和電流無損耗地加到被測器件上。

本實驗的光譜測量采用微型光纖光譜儀。這類光譜儀具有體積小、即插即用、檢測速度快、配置靈活、操作方便等特點。USB接口的微型光纖光譜儀內置了先進的探測器和強大的高速電路系統，與掃描式單色儀相比，由于采用了線性探測器陣列，不需要轉動光柵來工作，光柵永久固定，保證了性能的長期穩定，并能夠實現高速檢測，配合電子快門，全譜測量的最短積分時間可達到數毫秒。

三．實驗方法與步驟 實驗儀器與材料

手動式半導體顯微探針測試臺：1臺 探針座：2只 探針：2根

石英光纖（SMA905接頭）：1根 鹵鎢燈光源（SMA905接頭）：1臺 高精度直流電源：1臺 微型光纖光譜儀：1臺 微型計算機：1臺

InGaN或AlGaAs LED芯片：若干

實驗方法與操作步驟

（一）測試系統的連接與調整

1.用石英光纖連接探針測試臺上光收集單元與鹵鎢燈光源，開啟[鍵入文字]

鹵鎢燈光源，根據被測樣品在載物臺上的實際位置調整探針測試臺上光收集單元的位置與方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于顯微鏡視野可及的區域，作為實際的測試點位置。

2.以導線連接探針座電極與直流電源輸出端。開啟直流電源，根據需要調整限流電流（如為100mA）。

3.將被測LED芯片放置于載物臺上，覆蓋其上的吸附孔。開啟真空泵和真空閥門開光，使芯片被穩固地吸附于載物臺表面上。通過載物臺平移機構將芯片移動到定位光斑位置。

4.關閉鹵鎢燈光源。將石英光纖連接鹵鎢燈光源端改接到微型光纖光譜儀的輸入端口。用USB連接線連接微型光纖光譜儀與計算機。開啟光譜儀電源。啟動計算機。啟動光譜儀控制程序。

（二）探針與電極的連接

1.調節顯微鏡的倍率，以能夠清楚觀察探針尖端及LED芯片上電極為度。

2.使用載物臺上X軸/Y軸平移機構移動載物平臺，將待測電極移動至顯微鏡視野中央。

3.待測點位置確認好后，再調節探針座位置，將探針裝上后可先通過眼視將探針移到接近待測點的位置旁，再使用探針座上下左右三個旋鈕，慢慢的通過顯微鏡觀察將探針移至測試點，此時動作一定要小心，以防動作太大而碰上到芯片，將探針針尖輕觸或稍微懸空到待測電極上。（滑動探針可以電極上留下劃痕，視為接觸）

4.調節探針座的Z軸旋鈕使探針尖扎在待測電極上，確保針尖和[鍵入文字]

電極良好接觸。則可以通過連接的測試設備開始測試。

（三）電致發光的測量

1.調節直流電壓電源的輸出電壓V(0-4V)，記錄直流電壓源的輸出電流（驅動電流）I，繪制LED芯片的I-V曲線。

2.通過微型光纖光譜儀測量與一組預定的驅動電流值對應的LED的電致發光譜，繪制光譜曲線。

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3.根據電致發光譜計算出發光峰的面積，繪制發光峰面積-驅動電流曲線。

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四．思考與討論

（1）試舉出幾種典型的電致發光器件，并進行簡要說明。

答：①交流電致發光顯示。它是將電致發光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在環氧樹脂和氰乙基醣的混合物的有機介質中，兩端夾有電極，其中一個為透明電極。另一個是真空蒸鍍鋁或銀電極，構成一個EL。

②高場薄膜電致發光（TFEL）。目前的ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結構。器件由三層組成，發光層夾在兩絕緣層間，起消除漏電流與避免擊穿的作用。摻不同雜質則發不同的光，其中摻Mn的發光效率最高，加200V，5000Hz電壓時，亮度高達5000cd/m2。ACTFEL具有記憶效應，通常室內光照度下，記憶可維持幾分鐘，在黑暗中可保持十幾個小時。

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③有機發光顯示器（OLED）又稱有機EL，是以有機薄膜作為發光體的自發光顯示器件。它是固體自發光器件，可適應惡劣工作環境；它響應時間短、發光效率高、視角寬、對比度高；它可在5V~10V的低電壓下工作，功耗低，工藝簡單；制造成本低、有機發光材料眾多、覆蓋發光光譜從紅外到紫外，適合全彩色顯示；價廉、易于大規模生產；OLED的生產更近似于精細化工產品，可在塑料、樹脂等不同的材質上生產，產品的機械性能好，不僅可以制造出筆記本電腦、臺式機適用的顯示器，還有可能創造出墻壁大小的屏幕、可以彎曲折疊的屏幕。人們預言，隨著規模量產的到來，OLED可以比LCD成本低20%。

（2）介紹幾種發光二極管在日常生活中的應用。

答：發光二極管是一種把電能直接轉換為光能的固體發光器件。它以體積小、耗電低、響應速度快、亮度調整靈活、使用壽命長、穩定性好、抗震性強等優點廣泛應用于工農業和家用電器等設備上。具體應用有：①指示用電源。在不需要高亮度的場所，可采用發光二極管作指示電源。例如示波器的標尺照明、收音機的刻度照明、十字路口的信號指示燈等。②電壓越限報警。利用發光二極管和穩壓二極管的直流上下限報警。③發光二極管作光電開關的光輻射源。光電開關是以光輻射驅動的電子開關，當一定強度的光輻射到其中的光敏器件上時，會產生開關作用。驅動光電開關的輻射，可以是可見光，也可以是非可見光，可以用不同類型的發光二極管充任。④閃光電路。發光二極管的閃光電路組成是將兩只發光二極管接在多諧振振蕩器的[鍵入文字]

集電極電路中。這樣，當多諧振振蕩器工作時，T1和T2交替導通，LED1和LED2交替發出閃光信號。

（3）比較發光二極管與光電二極管的工作原理，設計一個由發光二極管和光電二極管組成的運動感知機構。

答：光電二極管，即可將光信號轉換成電信號。我們在捕獲系統上安裝光電二極管，將捕捉到的運動信息經過一定的處理變成計算機可以識別的電信號。然后再利用發光二極管，將電信號重新讀取并在顯示設備上還原成光信號，比如我們可以在屏幕上重現運動的影響和運動過程，這樣就實現了運動感知。

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第二篇：說課稿-半導體器件

尊敬的各位領導、各位老師下午好，我今天說課的題目是：平衡PN結

一、分析教材

首先我對本節的教材內容進行分析：

《半導體器件物理》是應用物理學專業的一門重要專業方向課程。通過本課程的學習，使學生能夠結合各種半導體的物理效應掌握常用和特殊半導體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導體器件的基本規律。PN結是構成各類半導體器件的基礎，如雙極型晶體管、結型場效應晶體管、可控硅等，都是由PN結構成的。PN結的性質集中反映了半導體導電性能的特點，如存在兩種載流子、載流子有漂移運動、擴散運動、產生與復合三種基本運動形式等。獲得在本課程領域內分析和處理一些最基本問題的初步能力，為進一步深入學習和獨立解決實際工作中的有關問題奠定一定的基礎。

根據以上分析，結合本節教學要求，再聯系學生實際，我確立了以下教學目標：

1、知識目標

(1)了解PN結的結構、制備方法；

(2)掌握平衡PN結的空間電荷區和能帶圖；

(3)掌握平衡PN結的載流子濃度分布。

2、能力目標

(1)通過典型圖例，指導學生進行觀察和認識PN結，培養學生的觀察現象、分析問題以及理論聯系實際的能力；

(2)指導學生自己分析，借助教材和圖例，培養學生的動手能力以及通過實驗研究問題的習慣；

3、情感目標

(1)培養學生學習半導體器件物理的興趣，進而激發學生對本專業熱愛的激情；

(2)培養學生科學嚴謹的學習態度。

考慮到一方面學生的文化基礎比較薄弱，綜合解決問題的能力有待提高，另一方面，對于高職類學校的學生而言，要求有較強的動手能力，我把教學的重點和難點設置如下：

1、教學重點

平衡p–n結空間電荷區的形成；平衡p–n結的能帶圖

2、教學難點

平衡p–n結中載流子的分布

二、說教法

興趣是推動學生求知欲的強大動力，在教學中把握學生好奇心的特點至關重要。另一方面，在教學課堂中，不僅要求傳授書本的理論知識，更要注重培養學生的思維判斷能力、依據理論解決實際問題的能力以及自學探索的能力。據此，我準備以演示法和引導式教學為主，遵循學生為學生為主體，教師為主導的原則，通過講授理論知識，使學生獲得必要的感性認識，讓疑問激起他們的學習研究興趣，然后再引導學生掌握必要的基礎知識，最后在開放的課堂上提供學生進一步研究的機會，滿足他們的好奇心，開發他們的創新潛力。

三、說學法

學生是教學活動的主體，教學活動中要注意學生學法的指導，使學生從“學會”轉化為“會學”。根據教學內容，本節采用觀察、分析的學習方法，在做好演示圖例的同時，引導學生合作討論，進而獲取知識。

另外，在教學過程中，我還會鼓勵學生運用探究性的學習方法，培養他們發現、探究、解決問題的能力。

四、說教學過程

為了完成教學目標，解決教學重點，突破教學難點，課堂教學我準備按以下幾個環節展開：

1、新課導入

通過半導體物理基礎的學習，分析了P型和N型半導體中的載流子濃度分布和運動情況，如果將P型和N型半導體結合在一起，在二者的交界處就形成了PN結。首先學習PN結。引出問題：什么是PN結？

設計意圖：通過問題的提出，引導學生形成對所學事物的輪廓，豐富他們的感性認識，吸引學生的注意力和好奇心。

2、講解新課

通過講解在本征半導體中參入不同雜質，引出半導體的一個特殊結構：PN結。

(1)講解PN結

用圖示演示PN結的基本結構，兩種不同類型的半導體：P型半導體和N型半導體。為了加深學生的理解，可以采用情景教學的方式，讓學生在輕松有趣的互動游戲中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN結的空間電荷區和能帶圖

通過圖例展示，教師講解平衡PN結空間電荷區的形成和能帶圖，然后讓學生復述，傾聽學生自己的理解，在此基礎上進一步分析，講解各名詞的概念：擴散、漂移、空間電荷區、自建電場、勢壘、勢壘區。

(3)平衡PN結的接觸電勢差

由此，也進一步引出N區和P區之間存在電勢差，稱為PN結的接觸電勢差。給出n區電子濃度、p區空穴濃度的公式，引導學生推導接觸電勢差。

(4)平衡PN結的載流子濃度分布

通過圖示回顧上課過程中提到的空間電荷區、自建電場、擴散、漂移、載流子的耗盡等概念，總結平衡PN結的載流子濃度分布并給出示意圖。

3、歸納總結，布置作業

設計問題，由學生回答問題,通過設問回答補充的方式小結，學生自主回答三個問題，教師關注全體學生對本節課知識的掌握程度，學生是否愿意表達自己的觀點。

(1)什么是PN結？

(2)PN結的制備方法有哪些？

(3)平衡PN結的空間電荷區是如何形成的？

(4)平衡PN結的能帶圖中費米能級的作用？

(5)平衡PN結接觸電勢差的推導過程？

設計意圖：通過提問方式引導學生進行小結，養成學習——總結——再學習的良好習慣，發揮自我評價作用，同時可培養學生的語言表達能力。作業分層要求，做到面向全體學生，給基礎好的學生充分的空間，滿足他們的求知欲。

五、板書設計

采用三欄式

以上，我從教材、教法、學法、教學過程和板書設計五個方面對本課進行了說明，我的說課到此結束，謝謝各位評委老師。

第三篇：常用半導體器件教案

第一章

常用半導體器件

1.1 半導體基礎知識

1.1.1 本征半導體

一、半導體

1． 概念：導電能力介于導體和絕緣體之間。2． 本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體。

二、本征半導體的晶體結構（圖1.1.1）

1． 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣。2． 共價鍵

三、本征半導體中的兩種載流子（圖1.1.2）

1． 本征激發：在熱激發下產生自由電子和空穴對的現象。2． 空穴：講解其導電方式； 3． 自由電子

4． 復合：自由電子與空穴相遇，相互消失。5． 載流子：運載電荷的粒子。

四、本征半導體中載流子的濃度

1． 動態平衡：載流子濃度在一定溫度下，保持一定。2． 載流子濃度公式：

ni?pi?K1T3/2e?EGO/(2kT)

自由電子、空穴濃度（cm?5－

3），T為熱力學溫度，k為波耳茲曼常數（8.63?10eV/K），EGO為熱力學零度時破壞共價鍵所需的能量（eV），又稱禁帶寬度，K1是與半導體材料載流子有效質量、有效能級密度有關的常量。

1.1.2 雜質半導體

一、概念：通過擴散工藝，摻入了少量合適的雜質元素的半導體。

二、N型半導體（圖1.1.3）

1． 形成：摻入少量的磷。2． 多數載流子：自由電子 3． 少數載流子：空穴

4． 施主原子：提供電子的雜質原子。

三、P型半導體（圖1.1.4）

1． 形成：摻入少量的硼。2． 多數載流子：空穴 3． 少數載流子：自由電子

4． 受主原子：雜質原子中的空穴吸收電子。

5． 濃度：多子濃度近似等于所摻雜原子的濃度，而少子的濃度低，由本征激發形成，對溫度敏感，影響半導體的性能。

1.1.3 PN結

一、PN結的形成（圖1.1.5）

1． 擴散運動：多子從濃度高的地方向濃度低的地方運動。2． 空間電荷區、耗盡層（忽視其中載流子的存在）3． 漂移運動：少子在電場力的作用下的運動。在一定條件下，其與擴散運動動態平衡。4． 對稱結、不對稱結：外部特性相同。

二、PN結的單向導電性

1． PN結外加正向電壓：導通狀態（圖1.1.6）正向接法、正向偏置，電阻R的作用。（解釋為什么Uho與PN結導通時所表現的外部電壓相反：PN結的外部電壓為U即平時的0.7V，而內電場的電壓并不對PN結的外部電壓產生影響。）

2． PN結外加反向電壓：截止狀態（圖1.1.7）反向電壓、反向偏置、反向接法。形成漂移電流。

三、PN結的電流方程

1． 方程（表明PN結所加端電壓u與流過它的電流i的關系）：

i?IS(euUT?1)

UT?kT

q為電子的電量。q2．平衡狀態下載流子濃度與內電場場強的關系： 3． PN結電流方程分析中的條件：

4． 外加電壓時PN結電流與電壓的關系：

四、PN結的伏安特性（圖1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向擊穿：齊納擊穿（高摻雜、耗盡層薄、形成很強電場、直接破壞共價鍵）、雪崩擊穿（低摻雜、耗盡層較寬、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN結的電容效應

1． 勢壘電容：（圖1.1.11）耗盡層寬窄變化所等效的電容，Cb（電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現象與電容器的充放電過程相同）。與結面積、耗盡層寬度、半導體介電常數及外加電壓有關。2． 擴散電容：（圖1.1.12）

（1）平衡少子：PN結處于平衡狀態時的少子。

（2）非平衡少子：PN結處于正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子。

（3）濃度梯度形成擴散電流，外加正向電壓增大，濃度梯度增大，正向電流增大。

（4）擴散電容：擴散區內，電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）結電容Cj?Cb?Cd

pF級，對于低頻忽略不計。

1.2 半導體二極管

（幾種外形）（圖1.2.1）

1.2.1 半導體二極管的幾種常見結構（圖1.2.2）

一、點接觸型：電流小、結電容小、工作頻率高。

二、面接觸型：合金工藝，結電容大、電流大、工作頻率低，整流管。

三、平面型：擴散工藝，結面積可大可小。

四、符號

1.2.2 二極管的伏安特性 一、二極管的伏安特性

1． 二極管和PN結伏安特性的區別：存在體電阻及引線電阻，相同端電壓下，電流小；存在表面漏電流，反向電流大。

2． 伏安特性：開啟電壓（使二極管開始導通的臨界電壓）（圖1.2.3）

二、溫度對二極管方案特性的影響

1． 溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。

2． 室溫時，每升高1度，正向壓降減小2～2.5mV；每升高10度，反向電流增大一倍。

1.2.3 二極管的主要參數

一、最大整流電流IF：長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。

二、最高反向工作電壓UR：工作時，所允許外加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。

三、反向電流IR：未擊穿時的反向電流。越小，單向導電性越好；此值對溫度敏感。

四、最高工作頻率fM：上限頻率，超過此值，結電容不能忽略。

1.2.4 二極管的等效電路 一、二極管的等效電路：在一定條件下，能夠模擬二極管特性的由線性元件所構成的電路。一種建立在器件物理原理的基礎上（復雜、適用范圍寬），另一種根據器件外特性而構造（簡單、用于近似分析）。

二、由伏安特性折線化得到的等效電路：（圖1.2.4）

1． 理想二極管：注意符號 2． 正向導通時端電壓為常量

3． 正向導通時端電壓與電流成線性關系 4． 例1（圖1.2.5）三種不同等效分析：（1）V遠遠大于UD，（2）UD變化范圍很小，(3)接近實際情況。5． 例2（圖1.2.6）三、二極管的微變等效電路（圖1.2.7）（圖1.2.8）（圖1.2.9）

動態電阻的公式推倒：

1.2.5 穩壓二極管

一、概念：一種由硅材料制成的面接觸型晶體二極管，其可以工作在反向擊穿狀態，在一定電流范圍內，端電壓幾乎不變。

二、穩壓管的伏安特性：（圖1.2.10）

三、穩壓管的主要參數

1． 穩定電壓UZ：反向擊穿電壓，具有分散性。2． 穩定電流IZ：穩壓工作的最小電流。

3． 額定功耗PZM：穩定電壓與最大穩定電流的乘積。4． 動態電阻rZ：穩壓區的動態等效電阻。

5． 溫度系數α：溫度每變化1度，穩壓值的變化量。小于4V為齊納擊穿，負溫度系數；大于7V為雪崩擊穿，正溫度系數。

四、例（圖1.2.11）

1.2.6 其他類型二極管

一、發光二極管（圖1.2.12）可見光、不可見光、激光；紅、綠、黃、橙等；開啟電壓大。

二、光電二極管（圖1.2.13）遠紅外接受管，伏安特性（圖1.2.14）光電流（光電二極管在反壓下，受到光照而產生的電流）與光照度成線性關系。

三、例（圖1.2.15）

1.3 雙極型晶體管

雙極型晶體管（BJT: Bipolar Junction Transistor）幾種晶體管的常見外形（圖1.3.1）

1.3.1 晶體管的結構及類型（圖1.3.2）

一、構成方式：同一個硅片上制造出三個摻雜區域，并形成兩個PN結。

二、結構：

1． 三個區域：基區（薄且摻雜濃度很低）、發射區（摻雜濃度很高）、集電區（結面積大）；

2． 三個電極：基極、發射極、集電極； 3． 兩個PN結：集電結、發射結。

三、分類及符號：PNP、NPN 1.3.2 晶體管的電流放大作用

一、放大：把微弱信號進行能量的放大，晶體管是放大電路的核心元件，控制能量的轉換，將輸入的微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。

二、基本共射放大電路（圖1.3.3）

1． 輸入回路：輸入信號所接入的基極－發射極回路；

2． 輸出回路：放大后的輸出信號所在的集電極－發射極回路； 3． 共射放大電路：發射極是兩個回路的公共端； 4． 放大條件：發射結正偏且集電結反偏；

5． 放大作用：小的基極電流控制大的集電極電流。

三、晶體管內部載流子的運動（圖1.3.4）分析條件?uI?0

1． 發射結加正向電壓，擴散運動形成發射極電流IE，空穴電流IEP由于基區摻雜濃度很低，可以忽略不計；IE?IEN?IEP

2． 擴散到基區的自由電子與空穴的復合運動形成電流IBN；

3． 集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

??ICBO4． 晶體管的電流分配關系：IC?ICN?ICBO，IB?IBN?IEP?ICBO?IB，IE?IB?IC

四、晶體管的共射電流放大系數

1． 共射直流電流放大系數：??ICNIC?ICBO ??IBIB?ICBO2． 穿透電流ICEO：IC??IB?(1??)ICBO??IB?ICEO

基極開路時，集電極與發射極之間的電流；

3． 集電結反向飽和電流ICBO：發射極開路時的IB電流； 4．近似公式：IC??IB，IE?(1??)IB

5． 共射交流電流放大系數：當有輸入動態信號時，???ic ?iB6． 交直流放大系數之間的近似：若在動態信號作用時，交流放大系數基本不變，則有iC?IC??iC??IB?ICEO???iB??(IB??iB)?ICEO因為直流放大系數在線性區幾乎不變，可以把動態部分看成是直流大小的變化，忽略穿透電流，有：???，放大系數一般取幾十至一百多倍的管子，太小放大能力不強，太大性能不穩定；

7． 共基直流電流放大系數：??ICN??，??，??

1??IE1???iC，??? ?iE8． 共基交流電流放大系數：??

1.3.3 晶體管的共射特性曲線

一、輸入特性曲線（圖1.3.5）iB?f(uBE)u的能力有關。

二、輸出特性曲線（圖1.3.6）iC?f(uCE)IB?常數CE?常數，解釋曲線右移原因，與集電區收集電子

（解釋放大區曲線幾乎平行于橫軸的原因）

1． 截止區：發射結電壓小于開啟電壓，集電結反偏，穿透電流硅1uA，鍺幾十uA；

2． 放大區：發射結正偏，集電結反偏，iB和iC成比例；

3． 飽和區：雙結正偏，iB和iC不成比例，臨界飽和或臨界放大狀態（uCB?0）。

1.3.4 晶體管的主要參數

一、直流參數

1． 共射直流電流系數? 2． 共基直流電流放大系數? 3． 極間反向電流ICBO

二、交流參數 1． 共射交流電流放大系數? 2． 共基交流電流放大系數?

3． 特征頻率fT：使?下降到1的信號頻率。

三、極限參數（圖1.3.7）

1． 最大集電極耗散功率PCM；

2． 最大集電極電流ICM：使?明顯減小的集電極電流值；

3． 極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電壓，UCBO幾十伏到上千伏、UCEO、UEBO幾伏以下。

UCBO?UCEX?UCES?UCER?UCEO

1.3.5 溫度對晶體管特性及參數的影響

一、溫度對ICBO影響：每升高10度，電流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、溫度對輸入特性的影響：（圖1.3.8）與二極管伏安特性相似。溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移，室溫時，每升高1度，發射結正向壓降減小2～2.5mV。

三、溫度對輸出特性的影響：（圖1.3.9）溫度升高?變大。

四、兩個例題

1.3.6 光電三極管

一、構造：（圖1.3.10）

二、光電三極管的輸出特性曲線與普通三極管類似（圖1.3.11）

三、暗電流：ICEO無光照時的集電極電流，比光電二極管的大，且每上升25度，電流上升10倍；

四、光電流：有光照時的集電極電流。

1.4 場效應管

1.4.1 結型場效應管 1.4.2 絕緣柵型場效應管

一、N溝道增強型MOS管（圖1.4.7）

1． 結構：襯底低摻雜P，擴散高摻雜N區，金屬鋁作為柵極； 2． 工作原理：

(1)柵源不加電壓，不會有電流；

(2)（圖1.4.8）uDS?0且uGS?0時，柵極電流為零，形成耗盡層；加大電壓，形成反型層（導電溝道）；開啟電壓UGS(th)；

(3)（圖1.4.9）uGS?UGS(th)為一定值時，加大uDS，iD線性增大；但uDS的壓降均勻地降落在溝道上，使得溝道沿源－漏方向逐漸變窄；當uGD＝UGS(th)時，為預夾斷；之后，uDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區對漏極電流的阻力，此時，對應不同的uGS就有不同的iD，從而可以將iD看為電壓uGSiD出現恒流。控制的電流源。

3． 特性曲線與電流方程：(1)特性曲線：（圖1.4.10）轉移特性、輸出特性；

?u?(2)電流方程：iD?IDO?GS?1?

?U??GS(th)?

二、N溝道耗盡型MOS管（圖1.4.10）

1． 結構：絕緣層加入大量的正離子，直接形成反型層； 2． 符號

三、P溝道MOS管：漏源之間加負壓

四、VMOS管

21.4.3 場效應管的主要參數

一、直流參數

1． 開啟電壓UGS(th)：是UDS一定時，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夾斷電壓UGS(off)：是UDS一定時，使iD為規定的微小電流時的uGS；

3． 飽和漏極電流IDSS：對于耗盡型管，在UGS＝0情況下，產生預夾斷時的漏極電流； 4． 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓與柵極電流之比，MOS管大于10?。

二、交流參數

1． 低頻跨導：gm?9?iD?uGS

UDS?常數2． 極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、1～3pF，漏源電容Cds0.1～1pF

三、極限參數

1． 最大漏極電流IDM：管子正常工作時，漏極電流的上限值； 2． 擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS，柵源擊穿電壓U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：柵源電容很小，容易產生高壓，避免柵極空懸、保證柵源之間的直流通路。

四、例

1.4.4 場效應管與晶體管的比較

一、場效應管為電壓控制、輸入電阻高、基本不需要輸入電流，晶體管電流控制、需要信號源提供一定的電流；

二、場效應管只有多子參與導電、穩定性好，晶體管因為有少子參與導電，受溫度、輻射等因素影響大；

三、場效應管噪聲系數很小；

四、場效應管漏極、源極可以互換，而晶體管很少這樣；

五、場效應管比晶體管種類多，靈活性高；

六、場效應管應用更多。

1.5 單結晶體管和晶閘管 1.6 集成電路中的元件

第四篇：第八章 半導體發光（范文）

第八章

半導體發光

研究一種新型半導體材料，首先是要對它的光電以及結晶品質等進行研究。對于光電子材料。對它的發光性質的研究是一個重大課題，有大量的工作可做。可以說每一種光電子材料的光學性質研究都有大量文獻報道。通過對材料的發光性能的研究，可以判定材料的生長質量，發光特性，雜質情況，雜質電離能，適合不適合制作發光器件等。畫光譜圖

1.輻射躍遷：處于激發態的電子向較低的能級躍遷，同時發射光子的過程。要求系統處于非平衡狀態，一般通過一些外加的激發手段才能達到。

電致發光：電流激發。

陰極射線發光：電子束激發。

光致發光：光激發，入射光子能量要大于材料禁帶寬度。

2．發光波長與能量的關系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E單位為電子伏特（eV）

3．帶-帶躍遷：導帶的電子躍遷到價帶，與空穴復合，自由載流子復合。（激子效應對半導體發光光譜有更重要的影響，但在較高實驗溫度下和對于純度較差的樣品，可以觀察到帶-帶躍遷）

發光光譜形狀：F(hv)∝(hv)2（hv-Eg）1/2

exp-(hv-Eg)/KT

特征：發光峰在Eg附近。發光峰具有一個高能量尾部，在hv=Eg處，低能量邊緣突然截止。在低激發情況，發射峰的半峰寬近似等于0.7kT。隨摻雜濃度增加和費米能級深入導帶，發光峰峰位置和高能邊緣均向高能量方向移動。增加激發和升高溫度也可導致發光向高能方移動。自吸收導致實驗觀測的發光光譜向低能方向漂移。K：玻爾茲曼常數，8.62x10-5電子伏特/度。300K時，KT約26meV。77K時，KT約6.6meV。

4． 自由激子：自由電子和自由空穴由與庫侖力作用而束縛在一起所形成的系統，可

在晶體中運動。電子與空穴之間的作用類似與氫原子中電子與質子的相互作用。自由激子代表了低激發密度下純半導體中電子和空穴的能量最低的本征激發態。（對足夠純的半導體材料，低溫下本征輻射復合的主要特征可以是激子復合導致的狹窄譜線。按激子復合發光模型，發光譜低能端應在激子波矢0對應的激子能量處突然截止，考慮激子效應時，有時還需考慮激子和光子耦合導致的激子極化激元的效應，可以解釋實驗觀察到的發光譜線的低能帶尾）。溫度較低，材料純度較高時可觀察到。

發光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束縛能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =（mr* /mo）（13.6/ε

r

2）（1/n2）

mr*為電子和空穴的折合質量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分別是空穴和電子的有效質量。（在雜質原子里（如施主），核的有效質量很大，因此，其折合質量等于電子的有效質量。但激子折合質量要小于電子，激子束縛能要低于施主或受主的束縛能）（一般只能觀察到n=1，2的譜線）

特征：發光峰能量略低于Eg，離化能可估計出，發光峰尖銳，半峰寬在幾

個meV以內。發光強度與激發密度成線性關系，一般在低溫下才可觀察到。

自由激子的聲子伴線：自由激子在復合時，發射了一個或多個聲子，同時發出的光子。

發光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：發光峰一般伴隨自由激子峰出現。其與自由激子的能量差為聲子能量。出現多聲子伴線時，發射峰之間的能量差相等。

橫向光學聲子（TO），橫向聲學聲子（TA），縱向光學聲子（LO），縱向聲學聲子（LA）一般最易觀察到縱向光學聲子（LO聲子）伴線。

5． 束縛激子：束縛在雜質上的激子。雜質中心俘獲電子或空穴，然后俘獲相反符號的載流子；或者雜質中心俘獲一個自由激子。束縛激子不能在晶體中自由運動。可束縛在中性施主，中性受主，電離施主，電離受主上。（從能量的觀點看，如果激子處在雜質中心附近時使系統能量下降，那么激子保持在雜質或缺陷附近是有利的，激子可以束縛在雜質中心上。）低溫觀察KT/ EDx﹤0.3。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 對中性施主或受主，雜質中心都有可能束縛激子，但電離雜質的情況就不一樣。判定：有效質量比：σ：me*/mh*，認為：對于電離施主，σ小于0.71，系統能量下降，也有認為，σ小于0.2時，束縛激子（D+X）才是穩定的。當σ接近0時，Eb=0.22 Ex。D+X離解為一個中性施主和一個自由空穴比離解為一個電離施主和一個自由激子更容易發生。對于電離受主束縛激子，只有當σ大于1.4時，才可能存在，因此一般電離受主束縛激子很難觀察到。具體參照半導體光學性質337，圖5.21。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 發光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb，電離施主束縛激子hv= Eg-EDx= Eg-ED-D（D0h）束縛能：Ex+Eb

其中，Ex為自由激子束縛能，Eb是將自由激子束縛到雜質中心的附加能。

特征：發光峰能量略低于自由激子，發射譜線很窄（樣品較純的情況下，束縛激子的波函數可認為互不交疊，基態能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其動能項對發光譜線的展寬效應可忽略不計），半峰寬一般低于1meV。GaAs，束縛于淺雜質的激子發射譜線寬在0.1meV數量級。（各種束縛激子的判定較為復雜，首先可比較實驗觀測到的束縛激子發光譜線的能量和各種不同束縛激子態束縛能的理論估計）如，利用有效質量近似，類氫模型估算出的自由激子束縛能（Eex），計算出有效質量比σ：me*/mh*，在已知該材料的σ情況下，根據不同束縛激子能Eb與Eex的關系估算出Eb，得到各種束縛激子的發光峰能量，與實驗值比較。還可以結合磁場作用下的束縛激子發光譜線的塞曼分裂來判定。

束縛激子的聲子伴線：束縛激子在復合時，發射了一個或多個聲子，同時發出的光子。

6．深躍遷：電子從導帶躍遷到受主能級，或從施主能級躍遷到價帶。

發光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束縛能，ED施主束縛能）

施主束縛能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 電導有效質量，m0: 電子慣性質量。εr: 相對介電常數。

如果摻雜濃度達到1018cm-3, 導帶電子躍遷到受主能級或從施主能級躍遷到價帶的幾率和帶-帶躍遷，激子躍遷有相同的量級，不難在實驗中觀察到。也可觀察到聲子伴線峰。

特征：發光峰能量低于激子峰，一般譜線較寬。當雜質濃度增加時，發光峰展寬，峰位能量漂移。（半導體的光學性質，P362。，半導體中的光學過程，P151）7．施主-受主對：施主離子及其束縛的電子和受主離子及其束縛的空穴可以構成施主-受主對（D-A對）（半導體中的光學過程，P160），KT﹤Ei時，載流子被電離雜質俘獲后很難熱電離，D-A對的躍遷變得重要。

發光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r為施主-受主對的間距。

特征：當r不是很大（10-50晶格常數）可顯示為一系列分立的譜線，但在r較大時，形成一個連續的寬發射譜。隨激發密度增大，激發近距離的D-A對數目增多，發光峰向高能方移動。

8．能帶內的躍遷，導帶熱電子躍遷到價帶頂，導帶底電子與價帶熱電子復合：在直接帶隙半導體中很難觀察到，而價帶空穴到電離受主的躍遷的聲子發射幾率遠大于光子發射幾率，一般難以觀察到。

半導體的光吸收

探測半導體能帶結構最直接的方法就是測量它的吸收光譜。研究一種新型半導體材料，首先是要對它的光電以及結晶品質等進行研究。對于光電子材料。對它的發光性質的研究是一個重大課題，有大量的工作可做。可以說每一種光電子材料的光學性質研究至少有上千篇的相關文獻報道。通過對材料的發光性能的研究，可以判定材料的生長質量，發光特性，雜質情況，雜質電離能，適合不適合制作發光器件等。畫光譜圖

1． 本征吸收：價帶電子吸收能量躍遷到導帶的過程。可判定材料的禁帶寬度。條件：入射光子能量大于禁帶寬度。特點：吸收系數與光子的能量關系為：

α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg

=0

hv＜Eg 處于激發態的電子向較低的能級躍遷，同時發射光子的過程。要求系統處于非平衡狀態，一般通過一些外加的激發手段才能達到。

電致發光：電流激發。

陰極發光：電子束激發。

光致發光：光激發，入射光子能量要大于材料禁帶寬度。

2．發光波長與能量的關系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E單位為電子伏特（eV）

3．帶-帶躍遷：導帶的電子躍遷到價帶，與空穴復合，自由載流子復合。（激子效應對半導體發光光譜有更重要的影響，但在較高實驗溫度下和對于純度較差的樣品，可以觀察到帶-帶躍遷）

發光光譜形狀：L=B（hv-Eg）1/2

特征：發光峰在Eg附近。發光峰具有一個高能量尾部，在hv=Eg處，低能量邊緣突然截止。在低激發情況，發射峰的半峰寬近似等于0.7kT。

K：玻爾茲曼常數，8.62x10-5電子伏特/度。300K時，KT約26meV。77K時，KT約6.6meV。

6． 自由激子：自由電子和自由空穴由與庫侖力作用而束縛在一起所形成的系統，可

在晶體中運動。電子與空穴之間的作用類似與氫原子中電子與質子的相互作用。（對足夠純的半導體材料，低溫下本征輻射復合的主要特征可以是激子復合導致的狹窄譜線。按激子復合發光模型，發光譜低能端應在激子波矢0對應的激子能量處突然截止，考慮激子效應時，有時還需考慮激子和光子耦合導致的激子極化激元的效應，可以解釋實驗觀察到的發光譜線的低能帶尾）

發光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束縛能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =13.6 mr* /moε

r

mr*為電子和孔穴的折合質量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分別是空穴和電子的有效質量。（在雜質原子里（如施主），核的有效質量很大，因此，其折合質量等于電子的有效質量。但激子折合質量要小于電子，激子束縛能要低于施主或受主的束縛能）（一般只能觀察到n=1，2的譜線）

特征：發光峰能量略低于Eg，離化能可估計出，發光峰尖銳，半峰寬在幾

個meV以內。一般在低溫下才可觀察到。

自由激子的聲子伴線：自由激子在復合時，發射了一個或多個聲子，同時發出的光子。

發光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：發光峰一般伴隨自由激子峰出現。其與自由激子的能量差為聲子能量。出現多聲子伴線時，發射峰之間的能量差相等。

橫向光學聲子（TO），橫向聲學聲子（TA），縱向光學聲子（LO），縱向聲學聲子（LA）一般最易觀察到縱向光學聲子（LO聲子）伴線。

7． 束縛激子：束縛在雜質上的激子。雜質中心俘獲電子或空穴，然后俘獲相反符號的載流子；或者雜質中心俘獲一個自由激子。束縛激子不能在晶體中自由運動。可束縛在中性施主，中性受主，電離施主，電離受主上。（從能量的觀點看，如果激子處在雜質中心附近時使系統能量下降，那么激子保持在雜質或缺陷附近是有利的，激子可以束縛在雜質中心上。）

對中性施主或受主，雜質中心都有可能束縛激子，但電離雜質的情況就不一樣。判定：有效質量比：σ：me*/mh*，認為：對于電離施主，σ小于0.71，系統能量下降，也有認為，σ小于0.2時，束縛激子（D+X）才是穩定的。當σ接近0時，Eb=0.22 Ex。D+X離解為一個中性施主和一個自由空穴比離解為一個電離施主和一個自由激子更容易發生。對于電離受主束縛激子，只有當σ大于1.4時，才可能存在，因此一般電離受主束縛激子很難觀察到。具體參照半導體光學性質337，圖5.21。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 發光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb 束縛能：Ex+Eb

其中，Ex為自由激子束縛能，Eb是將自由激子束縛到雜質中心的附加能。

特征：發光峰能量略低于自由激子，發射譜線很窄，半峰寬一般低于1meV。GaAs，束縛于淺雜質的激子發射譜線寬在0.1meV數量級。（各種束縛激子的判定較為復雜，首先可比較實驗觀測到的束縛激子發光譜線的能量和各種不同束縛激子態束縛能的理論估計）如，利用有效質量近似，類氫模型估算出的自由激子束縛能（Eex），計算出有效質量比σ：me*/mh*，在已知該材料的σ情況下，根據不同束縛激子能Eb與Eex的關系估算出Eb，得到各種束縛激子的發光峰能量，與實驗值比較。還可以結合磁場作用下的束縛激子發光譜線的塞曼分裂來判定。

束縛激子的聲子伴線：束縛激子在復合時，發射了一個或多個聲子，同時發出的光子。

6．深躍遷：電子從導帶躍遷到受主能級，或從施主能級躍遷到價帶。

發光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束縛能，ED施主束縛能）

施主束縛能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 電導有效質量，m0: 電子慣性質量。εr: 相對介電常數。

如果摻雜濃度達到1018cm-3, 導帶電子躍遷到受主能級或從施主能級躍遷到價帶的幾率和帶-帶躍遷，激子躍遷有相同的量級，不難在實驗中觀察到。也可觀察到聲子伴線峰。

特征：發光峰能量低于激子峰，一般譜線較寬。當雜質濃度增加時，發光峰展寬，峰位能量漂移。（半導體的光學性質，P362。，半導體中的光學過程，P151）7．施主-受主對：施主離子及其束縛的電子和受主離子及其束縛的空穴可以構成施主-受主對（D-A對）（半導體中的光學過程，P160）

發光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r為失主-受主對的間距。

特征：當r不是很大（10-50晶格常數）可顯示為一系列分立的譜線，但在r較大時，形成一個連續的寬發射譜。隨激發密度增大，激發近距離的D-A對數目增多，發光峰向高能方移動。

9． 能帶內的躍遷，導帶熱電子躍遷到價帶頂，導帶底電子與價帶熱電子復合：在直接帶隙半導體中很難觀察到，而價帶空穴到電離受主的躍遷的聲子發射幾率遠大于光子發射幾率，一般難以觀察到。

第五篇：半導體器件物理實驗報告格式

微電子學院

《半導體器件實驗》

實驗報告

實驗名稱：作者姓名：作者學號：同 作 者：實驗日期：

實驗報告應包含以下相關內容：

實驗名稱：

一、實驗目的二、實驗原理

三、實驗內容

四、實驗方法

五、實驗器材及注意事項

六、實驗數據與結果

七、數據分析

八、回答問題

實驗報告要求：

1.使用實驗報告用紙；

2.每份報告不少于3頁手寫體，不含封皮和簽字后的實驗原始數據部分；

3.必須加裝實驗報告封皮，本文中第一頁內容，打印后填寫相關信息。

4.實驗報告格式為：封皮、內容和實驗原始數據。