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

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(lái)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)體結(jié)正向通過(guò)電時(shí)載流子注入復(fù)合發(fā)光的器件稱(chēng)為半導(dǎo)體 發(fā)光器件。6. 光電探測(cè)器件是如何轉(zhuǎn)換信號(hào)的

2、器件？ 答：通過(guò)電子過(guò)程探測(cè)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(cè)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： 1.55 和 1.3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(cè)？答：光信號(hào)的頻率在 1014 以上，常用的電子器件無(wú)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(cè)器： 、3. 光電檢測(cè)器的工作過(guò)程？答：光電檢測(cè)器件的工作過(guò)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(cè)4. 光信號(hào)（光束）入射到半導(dǎo)體材料后，如何產(chǎn)生

3、電子空穴對(duì)？答：光信號(hào)（光束）入射到半導(dǎo)體材料后，首先發(fā)生的過(guò)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(guò)程可以分為哪兩大類(lèi)？ 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?亦征暇收的必費(fèi)條件：hL? > h = Eg機(jī)為截止頻率口3）稱(chēng)為戟11波長(zhǎng)°Ey :->3,0eVXc : 6,0pun > 0.4屮IIEa 二 12eV巳=0.67eV巳=1

4、45eVX. = LlOpinXc = L85|iimXc - 0.86iim9. 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(méi)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(guò)程中遵守動(dòng)量守恒和能量守恒。10. 在間接吸收過(guò)程中，為保持吸收過(guò)程的動(dòng)量守恒，必須有哪種量參 與？答：在間接吸收過(guò)程中，為保持吸收過(guò)程的動(dòng)量守恒，必須有聲子的參 與。11. 吸收功率的計(jì)算。雯冇效吸吹光肓號(hào).半導(dǎo)體材斟必須達(dá)到一定的長(zhǎng)度.下fffl進(jìn)行討論:Pw （0）-人射功率PUD =宀的透肘功率%=即°）- £=I】尹k（°）: 115

5、收功率矍詼刊有效呢收 二> 1亠丄 aL?a對(duì)于常用半導(dǎo)體W料和血（0接帶隙材料）：g 亠叭Lsl>-10/iin （10-20/jm）wa£f -10'cui 1 二> > -、lpm （out3皿）答:【例題2.1Ge材料制作的檢觀器用于光殲通信系饑 系統(tǒng)用光源為說(shuō)5光 源，光子&gB1.43eV,光信號(hào)入對(duì)后，被光電殮觀器吸收掉9風(fēng)的更 邑計(jì)算光電檢測(cè)器的吸攻層厚度弓吸戌系數(shù)為比弄訶血嘉=1-90% =10%Pg=>_uL 10%=>L = -lnO.l 二 0,92/zniVL12. 有效吸收對(duì)有源層厚度的要求。答:13.聲

6、子的產(chǎn)生過(guò)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(zhǎng)波長(zhǎng)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方案有哪些？各自特點(diǎn)？答：（1）本征檢測(cè)器:需要窄帶隙材料難以制作出高質(zhì)量的器件（2非本征檢測(cè)器：工作條件苛刻（低溫）器件難以小型化（吸收層厚）16響應(yīng)度描述的是什么？單位是？答：描述的是入射單位功率的光功率， 能夠從檢測(cè)器中輸出多大的電流單位為：。17. 器件效率的定義。答：?jiǎn)挝粫r(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(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

7、電信號(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(cè)器以什么結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)？檢測(cè)器形成的光電流主要有哪兩類(lèi)？各自特點(diǎn)如何？20. 根據(jù)結(jié)的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，整個(gè)結(jié)可以分為哪三個(gè)部分?21.結(jié)的兩種工作模式是什么?PN結(jié)的兩種工作模式:RiII R在不同條件下，太陽(yáng)光譜的輻射強(qiáng)度有何不同?flPNr>22.答：在不同條件下，太陽(yáng)光譜的輻射強(qiáng)度不同：（1）在不考慮大氣吸收情況下，到達(dá)地面的太陽(yáng)光功率密：13502（2） 考慮大氣影響，晴朗天氣，到達(dá)地面的光功率密度：9522光功率密度最強(qiáng)的光波長(zhǎng)為 0.48，處于可見(jiàn)光光譜內(nèi)。23. 轉(zhuǎn)換效率是什么?轉(zhuǎn)換

8、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。100%1 nVm可100%（其中Vm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 C ）析出硅膜，在此過(guò)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)，其特性表現(xiàn)在：（1）有效帶隙增大，約1.6左右（晶體為1.12 ）;（2） 類(lèi)似于直接帶隙材料，吸收系數(shù)比大得多，厚度通常在左右；（3）可以使用幾乎所有的襯底材料，具有良好的

9、使用靈活性。25. 光電導(dǎo)檢測(cè)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。Ph11_pp ttrn31. 管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?VL PJ-N翻I器(PIN )% Iit«1u1Wx = 01鼻+層極薄對(duì)光的吸收可以忽略；D十展位于iia的后面.對(duì)光的吸收亦可忽略:答:(1)管工作在反向偏置電壓下，且偏置電壓不能太高，以i尿很厚"絕

10、大多數(shù)光子都在這一巖吸收*且在光的 透射方向上.載流子產(chǎn)生率Gl幷非筒數(shù)O避免產(chǎn)生擊穿效應(yīng);(2)兩側(cè)重?fù)诫s區(qū)和區(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，決定了管具有較高的響應(yīng)速度。32. 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(mǎn)足一定的誤碼率條件下，器件能夠檢測(cè) 到的最小信號(hào)功率。34. 與的性能特點(diǎn)？ 答：特點(diǎn)：無(wú)增益，但噪聲小，較高 特點(diǎn)：噪聲較大，但

11、有較高增益，信號(hào)功率亦高，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. 中下列結(jié)構(gòu)的作用？（1）抗反膜；（2）保護(hù)環(huán)；（3）熱沉。36. 和各自的光吸收區(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. 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(guò)程所需要的時(shí)間；（3）雪崩過(guò)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. 是通過(guò)自發(fā)輻射過(guò)程發(fā)光的器件， 與通過(guò)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： 是通過(guò)自發(fā)輻射過(guò)程發(fā)光的器件，與通過(guò)受激輻射發(fā)光 的半

12、導(dǎo)體激光器相比，其不同之處在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；價(jià)格低廉；可靠性高。但其不足之處在于：響應(yīng)速度低；輸出功率小;輸出頻譜寬2.器件內(nèi)部的主要光電過(guò)程?在正向外加偵賈下?lián)]少教鞭流子注入P-Z結(jié)（注入注入的 沙數(shù)荻流 于與 半導(dǎo)休 材料中的多數(shù) 軟涼子復(fù)令復(fù)命）答:光于輜射（發(fā)光）3.電子-空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程有哪兩種？答：輻射復(fù)合：產(chǎn)生光子；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(guò)程大多屬于什么過(guò)程？答：間接帶隙材料內(nèi)部的復(fù)合過(guò)程大多屬于非輻射復(fù)合，例如俄歇過(guò)程。5. 輻射效率的定義。答：其定義為：在載流子復(fù)合過(guò)程中，輻射復(fù)合在總的復(fù)合過(guò)程中所占 的比例。6. 在正向偏置條件下

13、，注入結(jié)的電流由哪三部分構(gòu)成？答：在正向偏置條件下，注入結(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；（2）注入到 N 區(qū)的空穴擴(kuò)散電流；（3）中間耗盡層中由陷阱復(fù)合導(dǎo)致的電流7. 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(chēng)為表觀效率，即器 件從外界來(lái)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(guò)一定厚度的材料才能到達(dá)出射面， 在此過(guò)程中材料會(huì)吸收光子，產(chǎn)生電子

14、- 空穴對(duì)； 到達(dá)出射面的光子， 由于界面的菲涅爾反射， 有一部分光子無(wú)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(shì)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)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)中，并不需要這樣做？12. 與普通的面發(fā)射相比較，為什么

15、邊輻射與光纖之間的耦合效率更高？13. 簡(jiǎn)述的特性。（ 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)合逐漸加劇；(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. 在低注入和高注入條件下譜寬的估算。LED線務(wù)的估卑能呈豪示): l ,he he hc(Z, >1 > he .A/i = /? v, h v, = = =r AZ12入心A2 在低注入條伴下 A2TRT0.026 eV I寶溫3D

16、0K>在高注入條件下乂上-兄T15. 發(fā)光的溫度特性是什么？答：溫度對(duì)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(lái)：(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； 溫度越高，俄歇復(fù)合越強(qiáng)，降低了器件的發(fā)光效率。16. 簡(jiǎn)述要提高的輸出光功率，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. 影響壽命的因素有哪些？（即的失效有哪三類(lèi)？）答：影響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

17、些？ 答：（1）電流注入（利用結(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(guò)程；（2）發(fā)出的光波是非相干光；（3）光子能量大體相等，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. 產(chǎn)生激光出射的過(guò)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，這些光子就是受 激輻射發(fā)射激光的源頭；（ 2）工作在高電場(chǎng)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

18、振腔的存在，使其中一部分光子因滿(mǎn)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(shì)， 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(wú)外界注入條件下，絕大多數(shù)電子都位于低能級(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(guò)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(jiàn)光腔種類(lèi)有哪三種？答：（1）腔（2）含周期光柵的分布反饋式光腔（和）（3）含特殊反射器的表面發(fā)射腔6. 腔的共振頻率的定義？縱模的計(jì)算及分布特點(diǎn)？答

19、：光腔的共振頻率又稱(chēng)為光腔的縱模。應(yīng)的對(duì)共振頻率為：c2nrL7. 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，如腔，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19左右。8. 光腔內(nèi)部的主要損耗過(guò)程答：（1）限制層及電極區(qū)對(duì)光子吸收所帶來(lái)的損耗 （如這些區(qū)域內(nèi)的雜 質(zhì)等引起的

20、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 （ 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(lái)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(lái)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(zhǎng)的影響，注入電流的變化對(duì)激光器增益譜 的影響。11. 橫模的定義及其影響因素？答：激光器內(nèi)部的光場(chǎng)在橫向上的穩(wěn)定的場(chǎng)分布。如果在平行于出射端

21、 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。 （12. 多模激光器其輸出曲線上出現(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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

22、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)： , 光柵結(jié)構(gòu)、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. 不同的應(yīng)變方式對(duì)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，出射光波為偏振，而利用拉伸 應(yīng)變效應(yīng)制作的，出射光波為偏振。16. 光腔的局限性：答：脊形區(qū)對(duì)電流限制作用較弱，激光器閾值電流較大；橫向尺寸對(duì)光波限制作用較弱，容易導(dǎo)致多模輸出； 線寬較大；輸出曲線易形成彎折。17. 激光器在限制橫向尺寸方面采取的兩種結(jié)構(gòu)是什么？按照橫答：對(duì)腔的改進(jìn)主要是限制其橫向尺寸， 使其易獲得單模輸出 向尺寸限制方式的不同，分為兩類(lèi)：（ 1） （ ：增益導(dǎo)引型光腔 ）（ 2） （