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(cè)器件是如何轉(zhuǎn)換信號(hào)

2、的器件？ 答：通過電子過程探測(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： 1.55um 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(cè)？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(cè)器： PIN 、APD3. 光電檢測(cè)器的工作過程？ 答：光電檢測(cè)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(cè)4. 光信號(hào)（

3、光束）入射到半導(dǎo)體材料后，如何產(chǎn)生電子空穴對(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？本征吸收的必要條件:hu>huc = Eg稱為截止頻率。he L24“譏E_ _Ei(eV7)稱為截止波長(zhǎng)©Eg :0.2eV3.0eVXc : 6.0p

4、un t 0.4p.mEe =1J2cV&SiEa =0.67eV=L45cVXc = 1.10pm= L85pm 人=0,86|jni9. 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)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。要有效眼收光信號(hào)半導(dǎo)休材料財(cái)須達(dá)到一定的長(zhǎng)度.下面逬打討論;比(0)： 入射功率此二為(£)二八,0只透射功率Pab

5、 =爲(wèi)(0) -= 1 一 *述 K(0):吸收功率要達(dá)到育效吸収 => La丄Ta對(duì)于常用半導(dǎo)體材料Si和Ge (間接帶隙材料)：as - lO'cnr1 n 5>2“0如(10-20/mi) 肌aat. -104cm>-"m (onbr -i/)答:【例E2.1阮材料制乍的檢測(cè)器用于光纖通信系統(tǒng)，系統(tǒng)用光源為GaA呂光源，光子能量L43eV,光信號(hào)入射后.被光電檢測(cè)器吸收掉90%的能8.計(jì)算光電檢測(cè)器的吸收層厚度*吸收系數(shù)為2. 5 x 104cra-1.一 =1-90% =10%Pop（0）=>e_aL =10%n L =丄 InQ.l =0.9

6、2/znia12. 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(zhǎng)波長(zhǎng)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方案有哪些？各自特點(diǎn)? 答：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?,單位為：A/W。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二 Rph =蟲pPop17. 器件效率

7、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)殡娦?號(hào)的效率大小。22.在不同條件下，太陽(yáng)光譜的輻射強(qiáng)度有何不同?答：在不同條件下，太陽(yáng)光譜的輻射強(qiáng)度不同: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？各自特點(diǎn)如何?20. 根據(jù)PN結(jié)的電場(chǎng)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？PN結(jié)的兩種工作模式:-PN內(nèi)部：N ->P光伏標(biāo)式光電導(dǎo)模式:分流電阻雷)CD ：等敢電容1350W/m2(1) 在不考慮大氣吸收情況下，到達(dá)

8、地面的太陽(yáng)光功率密:952W/m2(2) 考慮大氣影響，晴朗天氣，到達(dá)地面的光功率密度:光功率密度最強(qiáng)的光波長(zhǎng)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。二 Pmax 100% = -Vm 100%RnRn(其中I劇 匕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600C )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

9、材料的性質(zhì)，其特性表現(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(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。1ttr31. PIN管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？VL P4N檢測(cè)器(PIN )

10、VK1|>|信號(hào)Ix = 0x = w戸円層極薄.對(duì)光的吸收可以忽略；層位于i層的后直.對(duì)光的吸收亦可忽略;很厚絕大多數(shù)光子都在這一辰吸收.耳在光的 透射方向上.載流子產(chǎn)生率 G.并非常數(shù)=(1) PIN管工作在反向偏置電壓下，且偏置電壓不能太高，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)

11、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(cè)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，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

12、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)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：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??；輸出頻譜寬。2. LED器件內(nèi)部的主要光電過程？在正向外加偏置下.少數(shù)裁流子注入P-hl結(jié)（注入）洼入的少數(shù)載流子與半導(dǎo)體材科咋的多數(shù)載流子瑩合（復(fù)合） 答:光子輻射發(fā)光）3. 電子-空

13、穴對(duì)的復(fù)合過程有哪兩種？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？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

14、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，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

15、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)匯聚了較咼濃度的載流子，提咼了注入效率。LED 中,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) 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 LED與光纖之間的耦合效率更高?13. 簡(jiǎn)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)合逐漸加劇；(3) 當(dāng)注入電流增大到一定程度，俄歇復(fù)

16、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。LED線競(jìng)的估算C以能量表示 :,-hehehc(zt-, A )he 丄-人產(chǎn).=已一h iz,= =亍丸1 丄 4 九厶冬才 在低注入條件下kT0,02(5 &V (室溫300K) 在面注入條件下 AE-kT門為載減子濃度.為導(dǎo)帶的有效帶邊畫度口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；（

17、2）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 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

18、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. 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(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(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

19、轉(zhuǎn)？ 答：在無外界注入條件下，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：c二 q 2nrL7. 光波限制因子的定義？體材料激光器與量子阱激光器的光

20、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 F-P腔LD，光波限制因子接近于 100% ；1%左右。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

21、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(zhǎng)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(chǎng)在橫向上的穩(wěn)定的場(chǎng)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

22、向尺寸影響橫模的數(shù)目。（m,n12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

23、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) 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：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. 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