光電子技術(shù)復(fù)習(xí)提綱(含標(biāo)準(zhǔn)答案)

1、第1章 緒論1. 半導(dǎo)體光電器件是利用什么效應(yīng)制作的器件？ 答：利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制成的器件。2. 半導(dǎo)體光電器件是哪兩種粒子相互作用的器件？答：是一種利用光子與電子相互作用所具有的特性來實(shí)現(xiàn)某種功能的半導(dǎo)體器件。3. 半導(dǎo)體發(fā)光器件主要包括哪兩種？答：（1）發(fā)光二極管；（2）半導(dǎo)體激光器 。4. 光電器件主要有利用哪些效應(yīng)制作的器件？答：光電器件主要有利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件， 利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。5. 什么是半導(dǎo)體發(fā)光器件？答：利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向通過電時(shí)載流子注入復(fù)合發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件。6. 光電探測器件是如何轉(zhuǎn)換信號(hào)的器件？答：通過電

2、子過程探測光信號(hào)的器件，即將射到它表面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。7. 光電檢測器工作在反向偏置狀態(tài)。8. 光電池是利用什么效應(yīng)制作的？答：光伏打效應(yīng)。 9. 光纖通信的兩個(gè)重要窗口是哪些？ 答：1.55um和1.3um。第2章1. 光信號(hào)的頻率在哪個(gè)頻段？需要用什么器件檢測？ 答：光信號(hào)的頻率在1014 Hz以上，常用的電子器件無法對(duì)這一頻率段產(chǎn)生良好的響應(yīng)，必須使用光電子器件。2. 常用的光電檢測器：PIN、APD3. 光電檢測器的工作過程？ 答：光電檢測器件的工作過程：（1）光吸收（2）電子-空穴對(duì)產(chǎn)生（3）載流子擴(kuò)散和漂移（4）檢測4. 光信號(hào)（光束）入射到半導(dǎo)體材料后，如何產(chǎn)生電子空穴對(duì)

3、？ 答：光信號(hào)（光束）入射到半導(dǎo)體材料后，首先發(fā)生的過程就是半導(dǎo)體材料對(duì)光子的吸收，吸收光子 以后才能產(chǎn)生價(jià)帶電子的躍遷，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。5. 半導(dǎo)體材料中的吸收過程可以分為哪兩大類？ 答：本征吸收和非本征吸收6. 本征吸收又包括哪些？ 答：（1）直接吸收； （2）間接吸收7. 非本征吸收包括哪些？ 答：（1）激子吸收； （2）帶內(nèi)吸收；（3）雜質(zhì)吸收 8 本征吸收的必要條件？9. 直接吸收中參與的粒子是什么？遵守哪兩種守恒？答：只有電子和光子的參與，沒有第3種粒子的參與。且入射光子的能力必須大于該材料的帶隙。整 個(gè)過程中遵守動(dòng)量守恒和能量守恒。10. 在間接吸收過程中，為保持吸收過程的動(dòng)

4、量守恒，必須有哪種量參與？答：在間接吸收過程中，為保持吸收過程的動(dòng)量守恒，必須有聲子的參與。11. 吸收功率的計(jì)算。答： 12. 有效吸收對(duì)有源層厚度的要求。答：13. 聲子的產(chǎn)生過程？ 答：14. 雜質(zhì)吸收的特點(diǎn)。 答：半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)后，會(huì)在禁帶內(nèi)形成雜質(zhì)能級(jí)，雜質(zhì)能級(jí)往往是淺能級(jí)，因此雜質(zhì)吸收所對(duì)應(yīng)的吸收譜往往在紅外甚至是遠(yuǎn)紅外區(qū)。雜質(zhì)吸收的吸收系數(shù)一般很小，且須工作在極低溫度下。15. 長波長檢測器的設(shè)計(jì)方案有哪些？各自特點(diǎn)？ 答：(1)本征檢測器: p 需要窄帶隙材料p 難以制作出高質(zhì)量的器件（2非本征檢測器：n 工作條件苛刻（低溫）n 器件難以小型化（吸收層厚） 16. 響應(yīng)度

5、描述的是什么？單位是？答：描述的是入射單位功率的光功率，能夠從檢測器中輸出多大的電流,單位為：A/W。 17. 器件效率的定義。 答：單位時(shí)間內(nèi)對(duì)外輸出的載流子個(gè)數(shù)與入射的光子個(gè)數(shù)的比值，描述了檢測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的效率大小。 18. 體材料器件和應(yīng)變量子阱器件對(duì)晶格匹配度的不同要求。19. 實(shí)用的光電檢測器以什么結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)？檢測器形成的光電流主要有哪兩類？各自特點(diǎn)如何？20. 根據(jù)PN結(jié)的電場分布特點(diǎn)，整個(gè)PN結(jié)可以分為哪三個(gè)部分？21. PN結(jié)的兩種工作模式是什么？ 22. 在不同條件下，太陽光譜的輻射強(qiáng)度有何不同？ 答： 在不同條件下，太陽光譜的輻射強(qiáng)度不同： （1）在不考慮大氣吸

6、收情況下，到達(dá)地面的太陽光功率密：1350W/m2（2） 考慮大氣影響，晴朗天氣，到達(dá)地面的光功率密度：952W/m2 光功率密度最強(qiáng)的光波長為0.48 ，處于可見光光譜內(nèi)。23. 轉(zhuǎn)換效率是什么？ 轉(zhuǎn)換效率是指光電池對(duì)外輸出的最大功率與輸入的光功率的比值，它所表征的是光電池將光能量轉(zhuǎn)換為電能量的效率高低。 （其中 和 分別是匹配電阻情況下（負(fù)載電阻與內(nèi)阻相等），對(duì)外輸出的電流和電壓，在此條件下對(duì)外輸出功率達(dá)到最大值） 24. 非晶硅的制作原理及特點(diǎn)？ 答：制作原理是：在較低溫度下（約600）析出硅膜，在此過程中，充入大量的氫原子，破壞了硅晶體中原子排列的周期性，從而改變了硅材料的性質(zhì)，其特性

7、表現(xiàn)在： （1）有效帶隙增大，約1.6 eV左右（Si晶體為1.12eV）；（2） 類似于直接帶隙材料，吸收系數(shù)比Si大得多，厚度通常在um 左右； （3）可以使用幾乎所有的襯底材料，具有良好的使用靈活性。25. 光電導(dǎo)檢測器產(chǎn)生增益的原因是什么？ 答：產(chǎn)生增益的原因：每一個(gè)電子-空穴對(duì)并非只被電極收集一次，而是在復(fù)合之前器件的兩個(gè)電極之間循環(huán)多次，每被電極收集一次，都會(huì)對(duì)電信號(hào)的形成有貢獻(xiàn)，直到復(fù)合。26. 什么是增益帶寬積？ 答：增益帶寬積是器件性能的重要參數(shù)，是器件增益與帶寬之積，表征了器件的增益和帶寬性能。 31. PIN管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？ 答： （1）PIN管工作在反向偏置電壓下，且偏置電

8、壓不能太高，以避免產(chǎn)生擊穿效應(yīng)； （2）兩側(cè)重?fù)诫sp+區(qū)和n+區(qū)很薄，中間i區(qū)要厚得多，i區(qū)是光的主要吸收區(qū)。光電流主要是由i區(qū)產(chǎn)生的非平衡載流子定向運(yùn)動(dòng)所形成的； （3）與i相鄰的兩側(cè)區(qū)域都是重?fù)诫s，加上外加反向偏置的作用，使i區(qū)成為完全耗盡區(qū)，其產(chǎn)生的電流為瞬態(tài)電流，響應(yīng)速度很快，決定了PIN管具有較高的響應(yīng)速度。32. PIN管在器件設(shè)計(jì)階段需要考慮的因素有哪些？33. 接收器件的靈敏度的定義？ 答：接收器件的靈敏度是指在滿足一定的誤碼率條件下，器件能夠檢測到的最小信號(hào)功率。34. PIN與APD的性能特點(diǎn)？ 答：PIN特點(diǎn)：無增益，但噪聲小，SNR較高APD特點(diǎn)：噪聲較大，但有較高增益

9、，信號(hào)功率亦高，SNR較高兩種器件都具有較高的信噪比，性能優(yōu)良，廣泛用于光纖通信系統(tǒng)35. APD中下列結(jié)構(gòu)的作用？（1）抗反膜；（2）保護(hù)環(huán)；（3）熱沉。36. PIN和APD各自的光吸收區(qū)是哪個(gè)？37. 碰撞電離率的定義？ 答：定義為在單位距離上載流子碰撞電離出的電子-空穴對(duì)的數(shù)目。38. APD的響應(yīng)速度主要受到哪三種時(shí)間參數(shù)的影響？ 答：（1）電子穿越光吸收區(qū)的渡越時(shí)間； （2）雪崩過程所需要的時(shí)間； （3）雪崩過程中產(chǎn)生的空穴穿越吸收區(qū)所需要的時(shí)間。第3章1. LED是通過自發(fā)輻射過程發(fā)光的器件，與通過受激輻射發(fā)光的半導(dǎo)體激光器相比，其優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ 答： LED是通過自發(fā)輻射過程發(fā)

10、光的器件，與通過受激輻射發(fā)光的半導(dǎo)體激光器相比，其不同之處在于：p 結(jié)構(gòu)簡單；p 價(jià)格低廉；p 可靠性高。 但其不足之處在于：n 響應(yīng)速度低；n 輸出功率??；n 輸出頻譜寬。2. LED器件內(nèi)部的主要光電過程？ 答：3. 電子-空穴對(duì)的復(fù)合過程有哪兩種？ 答：l 輻射復(fù)合：產(chǎn)生光子；l 非輻射復(fù)合：不產(chǎn)生光子，能量以其他形式散失。4. 間接帶隙材料內(nèi)部的復(fù)合過程大多屬于什么過程？ 答：間接帶隙材料內(nèi)部的復(fù)合過程大多屬于非輻射復(fù)合，例如俄歇過程。5. 輻射效率的定義。 答：其定義為：在載流子復(fù)合過程中，輻射復(fù)合在總的復(fù)合過程中所占的比例。6. 在正向偏置條件下，注入PN結(jié)的電流由哪三部分構(gòu)成？

11、答：在正向偏置條件下，注入 PN結(jié) 的電流由三部分構(gòu)成：（1）注入到P區(qū)的電子擴(kuò)散電流Jn；（2）注入到N區(qū)的空穴擴(kuò)散電流Jp；（3）中間耗盡層中由陷阱復(fù)合導(dǎo)致的電流JGR7. 什么是外量子效率？ 答：外量子效率表征的是器件的總的發(fā)光效率，也稱為表觀效率，即器件從外界來看的總發(fā)光效率。8. 出光效率的定義及其影響因素是什么？ 答：（1）定義： 指從發(fā)光面出射的光子數(shù)占發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的總的光子數(shù)的比例。發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子并非都能出射，這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體材料中存在多種導(dǎo)致光子損耗的因素：（2）發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子需要穿過一定厚度的材料才能到達(dá)出射面，在此過程中材料會(huì)吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；到達(dá)出射面的光子

12、，由于界面的菲涅爾反射，有一部分光子無法出射，形成菲涅爾反射損耗；在出射界面處，若入射角大于臨界角，會(huì)發(fā)生全反射，因而只有有限角度范圍內(nèi)的光子能夠出射。9. 提高出光效率的措施有哪些？ 答: （1）盡量減小吸收損耗； （2）降低菲涅爾損耗； （3）降低表面全反射損耗； 10. 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為何能提高注入效率？ 答： 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可使注入的電子和空穴被兩側(cè)勢壘有效束縛在中間有源區(qū)，使有源區(qū)匯聚了較高濃度的載流子，提高了注入效率。11. 為什么在同質(zhì)結(jié)LED中，應(yīng)該使電子注入電流盡量大，空穴注入電流盡量小，而在異質(zhì)結(jié)LED中，并不需要這樣做？ 答：12. 與普通的面發(fā)射LED相比較，為什么邊輻射L

13、ED與光纖之間的耦合效率更高？13. 簡述LED的P-I特性。 答：（1）注入電流較小時(shí)，輸出光功率與注入電流是線性關(guān)系，輸出光功率隨注入電流的增大而線性增加；（2）注入電流越大，器件發(fā)熱越明顯，俄歇復(fù)合逐漸加??；（3）當(dāng)注入電流增大到一定程度，俄歇復(fù)合更加明顯，消耗了大量的載流子，輸出光功率不再隨注入電流增加而增大，即器件的輸出達(dá)到“飽和”狀態(tài)。14. LED在低注入和高注入條件下譜寬的估算。 ：15. LED發(fā)光的溫度特性是什么？ 答： 溫度對(duì)LED的工作特性有重要影響，這種影響從兩個(gè)方面體現(xiàn)出來：(1)在較高溫度下，更多的載流子以漏電流的形式到達(dá)電極區(qū)，而不是相互復(fù)合產(chǎn)生光子；(2)溫度

14、越高，俄歇復(fù)合越強(qiáng)，降低了器件的發(fā)光效率。16. 簡述要提高LED的輸出光功率，器件設(shè)計(jì)器件設(shè)計(jì)時(shí)需要的因素。 答：（1）注入載流子密度； （2） 器件橫截面積； （3）有源區(qū)厚度。17. 影響LED壽命的因素有哪些？（即LED的失效有哪三類？） 答： 影響LED壽命的因素主要包括：（1）早期失效；（2）反常失效；（3）漸變失效。第4章1. 激光器是利用受激輻射產(chǎn)生光子，其激勵(lì)方式(能量注入方式)有哪些？ 答：（1）電流注入（利用PN結(jié)結(jié)構(gòu)的載流子注入）；（2）電子束注入；（3）激光注入；（4）碰撞電離。2. 自發(fā)輻射特點(diǎn)。 答：（1）自發(fā)輻射是隨機(jī)過程；（2）發(fā)出的光波是非相干光；（3）光子

15、能量大體相等，約等于材料帶隙；（4）相位與方向各不相同。3. 受激輻射特點(diǎn)： 答：（1）發(fā)出的光是相干光；（2）光子相位、方向與引起輻射的光子一致。4. LD產(chǎn)生激光出射的過程？ 答：（1）正向偏置下，首先由器件內(nèi)部的有源區(qū)自發(fā)輻射產(chǎn)生光子，這些光子中的極少一部分會(huì)引起受激輻射，這些光子就是LD受激輻射發(fā)射激光的源頭；（2）LD工作在高電場條件，即外界激勵(lì)很強(qiáng)，載流子濃度高，有源區(qū)達(dá)到粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)；（3）光諧振腔的存在，使其中一部分光子因滿足諧振條件而迅速增強(qiáng)，逐漸在整個(gè)光波中占有絕對(duì)優(yōu)勢，最終克服器件損耗，形成穩(wěn)定的激光輸出。5. 什么是粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)？ 答：在無外界注入條件下，絕大多數(shù)電

16、子都位于低能級(jí)，粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是指由于能量注入，使得高能級(jí)上的電子數(shù)反而比低能級(jí)電子數(shù)更多，這是普通激光器的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，工作過程涉及到兩種載流子，其粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是指在一定能量范圍內(nèi)，導(dǎo)帶內(nèi)的電子比價(jià)帶內(nèi)的電子還要多。6. 常見光腔種類有哪三種？ 答：（1）F-P腔（2） 含周期光柵的分布反饋式光腔（DFB和DBR）（3） 含特殊反射器的表面發(fā)射腔6. F-P腔的共振頻率的定義？縱模的計(jì)算及分布特點(diǎn)？ 答：光腔的共振頻率又稱為光腔的縱模。 應(yīng)的對(duì)共振頻率為： 7. 光波限制因子的定義？體材料激光器與量子阱激光器的光波限制因子的區(qū)別。 答：定義：其物理含義是指限制在有源區(qū)中

17、的光波在整個(gè)光腔內(nèi)的所有光波中所占的比例。 區(qū)別：光波限制因子是衡量有源區(qū)對(duì)光波限制作用的強(qiáng)弱的參數(shù)，其大小與激光器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的激光器其光波限制因子有很大差別。例如： 體材料半導(dǎo)體激光器，如F-P腔LD，光波限制因子接近于100%； 量子阱半導(dǎo)體激光器，由于有源層很薄，對(duì)光波的限制能力弱，其光波限制因子大約只有1%左右。8. 光腔內(nèi)部的主要損耗過程 答：（1）限制層及電極區(qū)對(duì)光子吸收所帶來的損耗(如這些區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)等引起的光吸收)；（2） 光子由腔體內(nèi)逸出所導(dǎo)致的損耗(部分光子其傳輸方向并不與出射面垂直，斜入射出腔體)； （3）載流子對(duì)光子的吸收造成的損耗； （4）出射面的光子出射損耗(

18、對(duì)內(nèi)部光波而言，輸出的光波引起損耗)。9. 激光輸出的閾值條件的含義？ 答：要形成穩(wěn)定的激光輸出，光波在腔體內(nèi)部傳輸來回反射傳輸時(shí)，其強(qiáng)度至少要保持不減小，即光波在兩個(gè)界面來回反射兩次并回到其出發(fā)點(diǎn)時(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)保持不變，這就是激光輸出的閾值條件。10. 溫度變化對(duì)激光器中心波長的影響，注入電流的變化對(duì)激光器增益譜的影響。 答：11. 橫模的定義及其影響因素？ 答：激光器內(nèi)部的光場在橫向上的穩(wěn)定的場分布。如果在平行于出射端面上放置一個(gè)成像面，則橫模表現(xiàn)為在成像面上的光斑形狀。橫模主要受到光腔的橫截面形狀和橫向尺寸的影響。橫截面形狀影響光斑形狀，橫向尺寸影響橫模的數(shù)目。(m,n12.多模激光器其輸

19、出曲線上出現(xiàn)彎折的原因。 答：13溫度對(duì)閾值的影響體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？ 答：（1）溫度升高時(shí)，需要更高的注入載流子濃度，才能滿足粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)的需要，激光器的注入電流密度閾值亦升高；（2）溫度升高，漏電流增大，需要更高的注入電流才能滿足閾值條件；（3） 溫度升高，俄歇效應(yīng)更強(qiáng)烈，窄帶隙材料尤其如此，因而需要更高注入電流才能滿足閾值條件。14. 激光器可在哪兩方面進(jìn)行改進(jìn)？改進(jìn)后的典型結(jié)構(gòu)？ 答：（1）電子特性的改進(jìn)，典型結(jié)構(gòu)：量子阱、應(yīng)變量子阱、量子點(diǎn)、量子點(diǎn) ； （2）光子特性的改進(jìn)，典型結(jié)構(gòu)： DFB, DBR 光柵結(jié)構(gòu)、DBR結(jié)構(gòu)的表面反射、微腔結(jié)構(gòu) 、能產(chǎn)生帶隙的周期性介質(zhì)層15.不同的

20、應(yīng)變方式對(duì)LD出射光波的偏振性的具體影響？ 答： 利用不同的應(yīng)變方式，可以改變LD出射光波的偏振性。利用壓縮應(yīng)變效應(yīng)制作的應(yīng)變量子阱激光器，出射光波為TE偏振，而利用拉伸應(yīng)變效應(yīng)制作的LD，出射光波為TM偏振。16. GGC光腔的局限性： 答：n 脊形區(qū)對(duì)電流限制作用較弱，激光器閾值電流較大；n 橫向尺寸對(duì)光波限制作用較弱，容易導(dǎo)致多模輸出；n 線寬較大；n 輸出曲線易形成彎折。17. F-P激光器在限制橫向尺寸方面采取的兩種結(jié)構(gòu)是什么？ 答：對(duì)F-P腔的改進(jìn)主要是限制其橫向尺寸，使其易獲得單模輸出。按照橫向尺寸限制方式的不同，分為兩類： （1）Gain guided cavities (GGC：增益導(dǎo)引型光腔) （2） Index guide cavities (IGC：折射率導(dǎo)引型光腔)18. DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)？ 答：n 溫度穩(wěn)定性好；n 線寬窄；n 易保持單模輸出(靜態(tài)及調(diào)制狀態(tài)下)19. SEL型激光器的優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：優(yōu)點(diǎn)：n 閾值電流小，可以減小至