光电子学_pub

1、机密机密南京邮电大学 2011 /2012 学年第 二 学期光电子学期末复习提纲（A）本复习提纲共 37 页； 考试时间 110 分钟； 专业光电信息工程 班级090060 学号 姓名 一、1.折射率虚部和实部对光传播的影响：答：半导体材料折射率的实部决定了电磁波在材料中传输时的速度，通常所讲的材料折射率就是指这一参数。而折射率的虚部则表征了电磁波在材料中衰减的快慢程度，也就是材料对电磁波的吸收速度。2.直接跃迁和间接跃迁是否遵循能量守恒或者动量守恒：答：（1）直接吸收整个过程中遵守动量守恒和能量守恒。 （2）在间接吸收过程中，为保持吸收过程的动量守恒，必须有声子的参与，是一种典型的“二次”过

2、程。3.直接带隙材料和间接带隙材料吸收系数的区别：答：（1）直接带隙材料的吸收系数：，可得；式中，是常数，与材料的能带结构有关，不同材料的值不同。一般情况下，对于直接带隙材料而言，吸收系数的值； （2）间接带隙半导体吸收系数：，是关于电子和声子相互作用的一个概率函数：，是常数，与温度有关。常见间接带隙半导体材料的吸收系数为：。4.LED和LD在光纤通信系统中应用的区别：答：LED无法用于高速、远距离通信，只能用于低速、短距离传输。5.LD和LED的线宽比较：答：LED的输出线宽大约比LD的输出线宽大2个数量级，而其带宽则比LD带宽小得多。本资料未经授权，不得复制、发表6.线宽与带宽：答：（1）

3、LED线宽的估算（以能量表示）：（a）在低注入条件下：（室温300K）；（b）在高注入条件下：。（2）LED调制带宽，与载流子寿命成正比。7.检测器漂移电流和扩散电流的响应速度比较：答：浓度梯度所导致的扩散电流，不受电场的影响，响应速度慢；电场作用下的漂移电流，响应速度很快。8.LED与LD在正常工作时的条件要求：？答：（1）LD：正向偏置条件下，注入少数载流子，并与多数载流子复合，产生光子，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形成光输出。 （2）LED：正向偏置电压下，外界注入高能载流子，注入的电子能级位于导带，在导带底附近，注入的空穴能级位于价带，在价带顶部附近。在穿过有源区的光子激发下

4、，导带电子落入价带，与价带空穴复合，产生光子，此光子与激发复合过程的光子在频率、相位、方向上亦完全一致。9.LD和LED哪种器件适合用于WDM系统：LD。10.FP、DFB和QW激光器在线宽和频率选择性方面的比较；？11.F-P腔LD是否容易实现单模输出？需要使用改进型？12.自发辐射对LD输出频谱的影响：答：当注入电流较小，激光器工作在阈值以下时，激光器内部的辐射以自发辐射为主，此时输出的光为荧光。13.本征吸收与非本征吸收各自的分类、本征吸收的必要条件；答：1.本征吸收又包括：（1）直接吸收（2）间接吸收；2.非本征吸收包括：（1）激子吸收（2）带内吸收（3）杂质吸收；3.本征吸收的必要条

5、件：称为截止频率；称为截止波长。14.DFB型LD是否容易实现单模输出？答：易保持单模输出（静态及调制状态下）。15.超过阈值点后，LD的受激辐射和自发辐射哪个过程更强烈？答：受激辐射。16.长波长检测器的几种方案比较：答：（1）本征检测器：需要窄带隙材料、难以制作出高质量的器件； （2）非本征检测器：工作条件苛刻（低温）、器件难以小型化（吸收层厚）。17. 掺杂光纤放大器和半导体激光放大器各自特点：答：1.SLA：Advantages of SLA：（1）small Volume （2）low input power （3）easy to placed on OEIC chirp。 Disa

6、dvantages of SLA：low coupled efficiency with fiber high loss。2.FAAdvantages of FA：（1）high coupled efficiency （2）low loss。18.大信号调制、小信号调制和脉冲编码调制各自在调制速率和误码率上的特点；答：三种调制方式对比：（1）大信号调制：信号幅度变化大，总电流会发生跨阈值的变化，器件响应速度低，但误码率很低。（2）小信号调制：信号变化幅度小，但器件偏置电流较大，LD始终工作在阈值以上，不会发生跨阈值的状态变化，器件响应速度最快，但误码率也较高。（3）脉冲编码调制：信号由“0”和

7、“1”两种状态组成，且两种状态的区分非常明显，LD始终工作于阈值以上。既能保证较高的响应速度，又能保持较低的误码率。19.增大器件偏置是否能够提高LD的响应频率？答：静态偏置电流越大,则器件的光子密度越大，（注：称为共振频率，当输入信号频率与此频率相等时，输出信号的幅度最大，即响应最强。共振频率表征了器件响应速度的高低，共振频率越大，则器件响应速度越快）。20.光电检测器的载流子产生率、响应度和量子效率的定义和计算；答：（1）电子空穴产生率：光照射情况下，单位时间、单位体积内产生的e-h对数目。假设光入射的功率密度表达式为：，当，有；其中为入射到点的光子流的面密度。（2）响应度：描述的是入射单

8、位功率的光功率，能够从检测器中输出多大的电流,单位为A/W，即。（3）量子效率：单位时间内对外输出的载流子个数与入射的光子个数的比值，描述了检测器将光信号转变为电信号的效率大小，即。入射光波长对器件的量子效率和响应度有重要影响，；由得到，。结论：当，有；当，有，以热能形式散失，得到。21.输入信号的增大对放大器饱和程度的影响如何？答：Gain saturation effect （增益饱和效应）：The above equations show that when the optical signal impinges on the amplifier, the gain decreases

9、for a fixed injection current. This is quite understandable and arises from the increased net e-h recombination rate due to the stimulated emission. As a result, the injected carrier density for a fixed current decreases causing the gain saturation effect. This effect plays an important role in the

10、amplification and alteration of pulse shapes of optical pluses.At fixed injection current , andkeep constant, .Discussion: net e-h stimulated recombination ratenet 22.LED的主要应用场合答：LED用于低速、短距离传输，例如局域网、接入网（ONU无色化）等。23.检测器与光源各自的偏置状态（正偏还是反偏）反向偏置？二、1.与电子器件比较，光电子器件的优点：答：（1）对电磁干扰免疫；（2）光束交叉时不会相互干扰；（3）高并行性；（4

11、）高响应速度、高带宽。2. 长P-N结结构二极管输出光电流的计算：答：整个PN结所产生的总的光电流由三部分构成，如下式所示：其中：在电中性p区的长度内所产生的电子扩散电流；：在电中性n区的长度内所产生的空穴扩散电流；： 耗尽区所产生的漂移电流，。 根据载流子浓度梯度与电流之间的关系，得到在电中性的n区中，少数载流子空穴扩散所导致的电流空穴扩散电流：。同样，电中性的p区中，少数载流子电子由扩散作用导致的电流大小为：，整个PN结中的总的光电流为三种电流之和：。3.直接吸收和间接吸收的分类？4.光波通过半导体材料时的传输方程？答：静态情况下：；对于本征半导体：；非本征半导体：复合寿命取决于少数载流子

12、。在一定温度下，半导体内本身就存在电子-空穴对，因而即使无光束入射，半导体仍然有一定导电能力，即其电导率不为零：。光照条件下，半导体内载流子浓度升高，其电导率增大：；式中，分别为光生电子和光生空穴浓度；因而，光电导率为：。由电流密度与电导率之间关系，可得光电流密度：（：电场强度）；光电流：。电子渡越时间：电子从半导体材料一端运动到另一端所需时间：代入光电流的表达式，有；和分别是两种载流子的饱和渡越时间。如果每一个电子-空穴对只被电极收集一次，即仅对电流的形成有一次贡献，容易推导出器件的“基本电流”为：；而器件的实际光电流为：；光电导检测器的增益为：。产生增益的原因：每一个电子-空穴对并非只被电

13、极收集一次，而是在复合之前器件的两个电极之间循环多次，每被电极收集一次，都会对电信号的形成有贡献，直到复合。增益带宽积是器件性能的重要参数，是器件增益与带宽之积，表征了器件的增益和带宽性能，即：5.PIN和APD各自特点：答：APD与PIN的对比：（1）两者的和都非常薄，对光的吸收都可忽略；（2）PIN的区为未掺杂区，是光的吸收区，APD的区为未掺杂或弱掺杂区，是光的吸收区；（3）APD的光吸收区（区）有很高的电场（），是雪崩区；（4）两种器件的吸收区长度：。6.截止波长的计算：答：称为截止波长。7.光电导检测器增益的计算：答：光电导检测器的增益为：8.光电检测器的工作过程：9.LED的工作过

14、程：答：正向偏置条件下，注入少数载流子，并与多数载流子复合，产生光子，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形成光输出。（1）正向偏置，注入少数载流子：电子注入P区，空穴注入N区；（2）少数载流子与多数载流子复合，产生光子；（3）光子出射。10.检测器吸收层厚度应该为多少？答：要有效吸收光信号，半导体材料必须达到一定的长度，下面进行讨论：入射功率；：透射功率；：吸收功率。要达到有效吸收，有，即。对于常用半导体材料Si和Ge（间接带隙材料）：；。11.光腔总损耗的计算： 答：（1）限制层及电极区对光子吸收所带来的损耗（如这些区域内的杂质等引起的光吸收）；（2）光子由腔体内逸出所导致的损耗（部分光

15、子其传输方向并不与出射面垂直，斜入射出腔体）；（3）载流子对光子的吸收造成的损耗；（4）出射面的光子出射损耗（对内部光波而言，输出的光波引起损耗）。考虑到多种损耗因素，可将所有损耗用表示，称为腔内损耗，则光波在腔体内传输时，其强度变换规律为：。要形成稳定的激光输出，光波在腔体内部传输来回反射传输时，其强度至少要保持不减小，即光波在两个界面来回反射两次并回到其出发点时，其强度应保持不变，这就是激光输出的阈值条件：。要满足上述条件，则腔体增益为下式所示，称为“阈值增益”：；其中，为腔体两端面的损耗。 假设垂直于光波出射方向的两个端面其折射率相同，即：，则激光器的阈值增益为：。12.载流子总的复合时

16、间的计算：答：？13.低注入和高注入条件下，LED线宽的估算：答：LED线宽的估算（以能量表示）：（a）在低注入条件下：（室温300K）；（b）在高注入条件下：。14.LED的偏置电流包括哪几种成分？答：在正向偏置条件下，注入PN结的电流由三部分构成：（1）注入到P区的电子扩散电流；（2）注入到N区的空穴扩散电流；（3）中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流。15.LED的工作过程分为哪几步？答：（1）正向偏置，注入少数载流子：电子注入P区，空穴注入N区；（2）少数载流子与多数载流子复合，产生光子；（3）光子出射。16.温度对LED性能的影响：答：（1）在较高温度下，更多的载流子以漏电流的形式到达电

17、极区，而不是相互复合产生光子；（2）温度越高，俄歇复合越强，降低了器件的发光效率。17.体材料半导体激光器和量子阱半导体激光器的光波限制因子的比较：答：（1）体材料半导体激光器，如F-P腔LD，光波限制因子接近于100%；（2）量子阱半导体激光器，由于有源层很薄，对光波的限制能力弱，其光波限制因子大约只有1%左右。18.F-P型半导体激光器阈值增益和腔体总损耗的计算：答：阈值增益：其中，为腔体两端面的损耗。 假设垂直于光波出射方向的两个端面其折射率相同，即：，则激光器的阈值增益为：。19.LED与LD各自的优缺点比较：答：LED作为通信用光源的话存在诸多缺陷：（1）输出频谱（线宽）大；（2）响

18、应速度慢，调制带宽小；（3）LED是非相干光源。LED的输出线宽大约比LD的输出线宽大2个数量级，而其带宽则比LD带宽小得多。无法用于高速、远距离通信，只能用于低速、短距离传输，例如局域网、接入网（ONU无色化）等。LD的主要优点：（1）输出功率高（相对LED）；（2）体积小；（3）发光效率高；（4）输出频谱窄；（5）响应速度快，带宽大。 20.半导体激光器载流子分布反转的计算：答： 在无外界注入条件下，绝大多数电子都位于低能级，粒子数分布反转是指由于能量注入，使得高能级上的电子数反而比低能级电子数更多，这是普通激光器的粒子数分布反转。对于半导体激光器，工作过程涉及到两种载流子，其粒子数分布反

19、转是指在一定能量范围内，导带内的电子比价带内的电子还要多。在平衡状态下（无外界载流子注入），两种能级上的电子数目分别是：，；在非平衡状态下（有载流子注入），导带能级和价带能级被电子占据的几率分别是：，；假设引起LD受激辐射的光束强度为，则有源区的受激辐射率为：；吸收率为：；distribution of particles reversed达到粒子数分布反转的必要条件是：高注入、高掺杂；，。21.LD的透明条件：？22.哪些因素影响LD的共振频率？答：称为共振频率，当输入信号频率与此频率相等时，输出信号的幅度最大，即响应最强。22.在大信号调制下，LD延迟时间的计算：答：总的载流子寿命为：；延

20、迟时间：23.微分增益对小信号调制下LD线宽的影响：答：器件微分增益越大，则共振频率越高。微分增益与器件结构有关，从提高器件响应速度考虑，应当在器件设计时使器件具有较高的微分增益。例如量子阱和多量子阱结构的微分增益较高。24.LD谐振腔的驻波条件和纵模间隔：答：根据相长干涉条件，光波从某点出发经过两个端面的反射，最后回到出发点时，其相位变化应该是的整数倍。由此推出满足谐振条件的光波长为：；对应的共振频率为：；光腔的共振频率又称为光腔的纵模。由纵模的表达式，容易理解：光腔的纵模是周期性的，理论上，光腔中可允许存在无限多个纵模，并且纵模都是等间隔的。相邻纵模之间的频率间隔为：。25.半导体激光放大

21、器的优点：答：Advantages of SLA：（1）small Volume；（2）low input power ；（3）easy to placed on OEIC chirp。 26.增益饱和对LD放大性能的影响：答：Gain saturation effect （增益饱和效应）：The above equations show that when the optical signal impinges on the amplifier, the gain decreases for a fixed injection current. This is quite understan

22、dable and arises from the increased net e-h recombination rate due to the stimulated emission. As a result, the injected carrier density for a fixed current decreases causing the gain saturation effect. This effect plays an important role in the amplification and alteration of pulse shapes of optica

23、l pluses.At fixed injection current , andkeep constant, .Discussion: net e-h stimulated recombination ratenet 27.体材料半导体激光器和应变量子阱半导体激光器对衬底与有源层间晶格匹配度的不同要求：答：（1）无论是体材料激光器还是量子阱激光器，有源层与衬底之间都需要严格的晶格匹配；（2）晶格失配度应小于1%，否则会在外延层与衬底间引入大量缺陷，影响器件性能；（3）形成缺陷的根本原因是外延层与衬底间存在“应力”，使外延层发生刚性形变，破坏了有源层结构从而产生缺陷；（4）合理利用这种应力，使

24、界面处发生弹性形变而不是刚性形变，制作出应变量子阱器件。28.检测器产生的总的光电流中，扩散电流和漂移电流的不同特性：答：（1）和：浓度梯度所导致的扩散电流，不受电场的影响，响应速度慢。（2）：电场作用下的漂移电流，响应速度很快。29.光电池开路电压的计算，给定一个电池系统，求需要串联的光电池数目和并联的组数：【例】用Si材料PN结制作的光电池，反向饱和电流为，入射光功率为2W，光子能量为1.43eV，器件量子效率为80%，理想因子为1.25。请计算：（1）PN结的光电流；（2）光电池的开路电压；（3）若填充因子为0.75，求其对外输出的最大功率。（4）光电池的各项参数如上题，用若干个光电池构

25、成一个光电池系统，若此系统对外输出电压为5 V，输出功率为15 W，求组成此系统所需要的光电池数目。解：（1） （2） （3） （4）串联个数：； 并联组数：三、1.参与间接吸收/间接跃迁过程中的粒子有哪些？答：光的间接吸收（声子参与）2.直接吸收和间接吸收的过程：答： 3.提高检测器的效率可采取的措施有哪些？可采取什么措施提高端面透射率使更多光子入射进有源层？4.典型半导体材料的带隙，如GaAs、Si和Ge等；答：； 。5.LED的光输出与注入电流之间的关系（P-I曲线特点）；答：LED的P-I特性：（1）注入电流较小时，输出光功率与注入电流是线性关系，输出光功率随注入电流的增大而线性增加；

26、（2）注入电流越大，器件发热越明显，俄歇复合逐渐加剧；（3）当注入电流增大到一定程度，俄歇复合更加明显，消耗了大量的载流子，输出光功率不再随注入电流增加而增大，即器件的输出达到“饱和”状态。6.常数，如和等答：，7.同质结、单异质结和双异质结三种结构的LD，在阈值电流密度上的比较答：（1）单异质结LD注入电流密度较高，比同质结LD的阈值电流密度低1个数量级；（2）阈值电流密度大为下降，大约为；8.GGC和IGC各自的工作原理；答：（1）增益导引型光腔（GGC） GGC型光腔的几个性质： I.增益导引：在脊形区内，载流子浓度高，增益大； II.增益较大的区域，折射率较高； III.增益导引效应所

27、导致的折射率变化较弱。GGC光腔的局限性： I.脊形区对电流限制作用较弱，激光器阈值电流较大； II.横向尺寸对光波限制作用较弱，容易导致多模输出； III.线宽较大； IV.输出曲线易形成弯折。（2）折射率导引型光腔（IGC）I.外延技术：形成纵向的双异质结结构；II.蚀刻及二次外延：形成横向的双异质结结构。 两个方向的双异质结结构，分别在纵向和横向上形成了对光波的较强的限制作用。从横截面上看，有源区被埋在周围限制层的里面，因而这种结构也叫做“掩埋式”异质结激光器。有源区与周围限制层材料之间的折射率差可达到0.2左右。优点：，； 缺点： 制作工艺复杂。9.LD正常工作时，其共振频率主要受哪些

28、因素影响？答：称为共振频率10.增益饱和和增益压缩的定义：答：（1）增益压缩效应在低电流注入时，e-h复合率较低，载流子分布复合准费米分布规律。但是，在高注入条件下，载流子复合过程加剧，复合寿命降低，大量载流子没有足够时间回到带边状态，致使带边状态密度减小。带边占位几率的下降，导致器件增益减小。这种现象称为增益压缩效应。 （2）Gain saturation effect （增益饱和效应）：The above equations show that when the optical signal impinges on the amplifier, the gain decreases for

29、 a fixed injection current. This is quite understandable and arises from the increased net e-h recombination rate due to the stimulated emission. As a result, the injected carrier density for a fixed current decreases causing the gain saturation effect. This effect plays an important role in the amp

30、lification and alteration of pulse shapes of optical pluses.11.什么因素导致半导体激光放大器出现频率啁啾？答：The chirp of Frequency（频率啁啾）：Gain saturation effectchirp of frequency Time dependence of gain Optical pulse modulating its own phase Saturation-induced self-phase modulation（增益饱和诱导自相位调制）Frequency shifting （chirp of

31、 frequency）12.面发射LED和边发射LED的特点： 答：（1）边辐射LED注入的电流被局限在一个带状区域内；有源区两侧的限制层折射率比有源区低。使光束集中在一个较小区域内出射，光能集中，且由于两侧限制层形成类似平板波导的作用，光束出射时发散角较小，大部分能量集中在较小的锥形角度内，使其与光纤之间的耦合效率较高。有源区两侧的限制层材料的带隙比有源区材料带隙小，形成势垒作用，对载流子有较强的限制，使载流子被束缚在有源区，有源区集中了较高的载流子浓度，提高了注入效率。其中P区一侧形成了电子的势垒，N区一侧形成了空穴的势垒。限制层材料折射率比有源区折射率低，相当于平板波导，光束在界面易形成

32、全反射，对光束有较强的限制作用，使光能集中在较小区域内出射。（2）面辐射激光器 （1）通过蚀刻在LED表面形成小孔；（2）将裸光纤插入小孔，用环氧树脂固定，直接与LED耦合；（3）光束出射后直接耦合进光纤。 13.LED的失效分为哪几类？答：早期失效、反常失效、渐变失效。 14.自发辐射与受激辐射的对比：答：自发辐射特点：（1）自发辐射是随机过程；（2）发出的光波是非相干光；（3）光子能量大体相等，约等于材料带隙；（4）相位与方向各不相同。受激辐射特点：（1）发出的光是相干光；（2）光子相位、方向与引起辐射的光子一致。15.LD达到粒子数分布反转的必要条件：高注入、高掺杂。四、1.Si材料制作

33、的长P-N结，耗尽层厚度为，工作在室温条件下，器件参数如下：横截面积：；电子扩散系数；空穴扩散系数；少数载流子电子寿命；少数载流子空穴寿命，光吸收系数；入射光功率密度；光子能量。求总光电流。2.LED的内量子效率、总量子效率、产生的光子数和光功率、注入电流的计算：答：说明：描述这一发光过程的效率的参数主要有：辐射效率、注入效率、出光效率以及内量子效率和外量子效率。1. 辐射效率：其定义为：在载流子复合过程中，辐射复合在总的复合过程中所占的比例。；。由于：，可得；为直接带隙材料；为间接带隙材料。2.注入效率:在正向偏置条件下，注入PN结的电流由三部分构成：（1）注入到P区的电子扩散电流；（2）注

34、入到N区的空穴扩散电流；（3）中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流。在这三种电流中，只有前两者的复合过程会产生光子，例如注入到P区后，电子成为少数载流子，与P区的空穴复合产生光子。而是由中间耗尽区的陷阱引起的复合所消耗，并不产生光子。由于P区靠近发光表面，因而只有引起的发光才是有效的。注入效率就是注入的在总电流中所占的比例。注：（1）为减少光子的再吸收，提高发光效率，发光区要靠近出射面； （2）提高注入效率，必须尽量提高的值； （3）使用高纯度材料，减少陷阱杂质，可以降低，提高发光效率。对于同质结来说，存在下列等式：。由三种电流的表达式，要增大所占比重，提高注入效率，应该使P区轻掺杂，N区重掺杂，

35、即使用结。对于这种结， ,且对于III族或者V族元素，电子迁移率要远大于空穴迁移率，因此要远大于，注入效率接近于1。 对于异质结，亦存在下列等式：，；异质结中，两种材料的带隙差越大，对载流子的限制作用越强，就注入效率越高。3.内量子效率： ；在器件设计过程中，P区的掺杂浓度要综合考虑，掺杂浓度低则注入效率高，但辐射效率下降；掺杂浓度高则辐射效率提高，而注入效率降低。外量子效率表征的是器件的总的发光效率，也称为表观效率，即器件从外界来看的总发光效率。1. 出光效率定义：指从发光面出射的光子数占发光区产生的总的光子数的比例。发光区产生的光子并非都能出射，这是因为在半导体材料中存在多种导致光子损耗的

36、因素：（1）发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会吸收光子，产生电子-空穴对；（2）到达出射面的光子，由于界面的菲涅尔反射，有一部分光子无法出射，形成菲涅尔反射损耗；（3）在出射界面处，若入射角大于临界角，会发生全反射，因而只有有限角度范围内的光子能够出射。3.LD腔长、有源层材料、纵模间隔给定，计算允许的纵模数；在给定腔内损耗和端面反射率条件下，计算光子寿命。答：（1）光腔的共振频率又称为光腔的纵模。由纵模的表达式，容易理解：光腔的纵模是周期性的，理论上，光腔中可允许存在无限多个纵模，并且纵模都是等间隔的。相邻纵模之间的频率间隔为：。（2）光腔内部的主要损耗过

37、程 （1）限制层及电极区对光子吸收所带来的损耗（如这些区域内的杂质等引起的光吸收）；（2）光子由腔体内逸出所导致的损耗（部分光子其传输方向并不与出射面垂直，斜入射出腔体）；（3）载流子对光子的吸收造成的损耗；（4）出射面的光子出射损耗（对内部光波而言，输出的光波引起损耗）。考虑到多种损耗因素，可将所有损耗用表示，称为腔内损耗，则光波在腔体内传输时，其强度变换规律为：。要形成稳定的激光输出，光波在腔体内部传输来回反射传输时，其强度至少要保持不减小，即光波在两个界面来回反射两次并回到其出发点时，其强度应保持不变，这就是激光输出的阈值条件：。要满足上述条件，则腔体增益为下式所示，称为“阈值增益”：；

38、其中，为腔体两端面的损耗。 假设垂直于光波出射方向的两个端面其折射率相同，即：，则激光器的阈值增益为：。4.LD的阈值电流密度、阈值载流子密度、载流子辐射复合寿命、注入电流、有源层厚度给定，计算俄歇系数和延迟时间。5.光电导检测器，给定载流子的产生率、迁移率和寿命，以及器件横截面积、长度、外加偏置，计算额外载流子密度、光电导率和器件增益；6.给定输出光功率、注入效率、出光效率、辐射复合寿命和非辐射复合寿命，计算LED的总的量子效率、产生的光子数和注入电流；7.双异质结LD，给定有源层厚度、阈值载流子密度、辐射复合寿命和非辐射复合寿命，以及材料折射率，计算器件的阈值电流密度；给定有源层吸收损耗、

39、腔长和光腔端面反射率，计算光子寿命。8.光电池开路电压的计算，给定一个电池系统，求需要串联的光电池数目和并联的组数；9.光电导率的计算；10.两种材料的界面反射率的计算，光源与光纤耦合效率的计算；【例题2.1】Ge材料制作的检测器用于光纤通信系统，系统用光源为GaAs光源，光子能量1.43eV，光信号入射后，被光电检测器吸收掉90%的能量，计算光电检测器的吸收层厚度。吸收系数为。解：。【例题2.2】光束入射到GaAs材料制作的光电检测器，光波长为，光功率密度为，材料对这种光波的吸收系数为，工作温度300K，载流子寿命。试计算此光电检测器的：（1）电子-空穴对的产生率；（2）非平衡载流子的密度。

40、解：；。【例题2.3】考虑一个硅材料制作的长PN结，工作在反反向偏置下，器件参数如下，试求此PN结的光电流。反向偏置电压横截面积P区掺杂N区掺杂电子扩散系数空穴扩散系数少数载流子电子寿命少数载流子空穴寿命电子-空穴对的产生率解：电子扩散长度：空穴扩散长度：为计算中间耗尽区的长度，需要计算出内建电压的大小：耗尽区宽度为：；可见，和的长度远大于，因此耗尽区所产生的瞬态电流只占总的输出电流的极少部分，总的光电流为：【例题2.4】考虑一个工作在300 K的光电池，此光电池具有下列参数，试求其开路电压。横截面积受主掺杂施主掺杂电子扩散系数空穴扩散系数少数载流子电子寿命少数载流子空穴寿命光电流解：求解开路

41、电压要用到器件的反向饱和电流，其值为：光电池开路电压为：。【例题2.5】光电池工作在300 K 温度下，器件参数如下：AreaPhotocurrentDiode saturation current Fill factor试求：（1）光电池的开路电压和短路电流；（2）输出功率；（3）如果用多个光电池构成一个电池系统，使其输出电压为10V，输出功率为10W，需要多少个光电池才能构成这样一个系统？解：，每个光电池的输出电压和电流近似为：，The total number =。【例题2.6】一个长的GaAs光电导检测器(n型掺杂)，其长度为，横截面积为，少数载流子寿命为。外加偏置电压为，电子迁移率，

42、空穴迁移率计算检测器的增益。解：根据器件增益表达式，首先应计算电子渡越时间：；器件增益为：。【例题2.7】Si材料的PIN检测器，区长度为，入射光的光子能量为，光功率为，材料吸收系数，不考虑器件表面的反射，计算此器件的光电流密度。 解：根据题中条件，入射光子流（每秒钟入射的光子个数）为：；每个光子被吸收后只产生一个电子-空穴对，因此光电流为：【例题】一个典型的APD管，其参数如下：入射光功率器件量子效率光子频率击穿电压外加偏置暗电流器件的“n”参数=2假定器件的等效串联电阻忽略不计，请计算：（1）倍增因子；（2）入射光子流；（3）输出光电流。解：（1）倍增因子： (2)入射光子流： (3)放大

43、前的电流大小为：通过倍增过程放大后输出的光电流为：HW : 2.10 , 2.13 , 2.14 , 2.16 （50. 5）【习题2.1】是HgTe和CdTe组成的合金半导体材料，其带隙的表达式为：，试计算当其截止波长分别为和时的合金组分。解：（1）截止波长为，；即； （2）截止波长为，；即【习题2.2】是由AlAs和GaAs所组成的合金半导体材料，其带隙表达式为（1）请计算GaAs材料的检测器的截止波长；（2）要使合金半导体材料的截止波长为，AlAs应占多大比重？解：（1）GaAs检测器的截止波长：； （2）若合金半导体截止波长为，则：，即，即【习题2.3】光束从GaAs材料的表面入射，其

44、功率密度为,光子能量为2.0 eV，材料的吸收系数为，电子-空穴对寿命为，材料表面无反射。请计算：（1）在入射表面处的非平衡载流子密度；（2）在材料内部中，离入射面处的非平衡载流子密度。解：（1）表面处：（2）离表面深度处：【习题2.4 】光束入射到Ge材料检测器，假设光束中的所有电子都能够使检测器产生电子-空穴对，且这些载流子都能够被电极收集形成电流。请计算光子能量分别为下列各值时的检测器响应度：（1）0.7 eV（2）1.0 eV（3）2.0 eV解：检测器响应度计算公式：，本题中量子效率为1。（1）1.43 A/W（2）1.0 A/W（3）0.5 A/W【习题2.5】Si材料制作的长PN

45、结，外加偏置为1 V，工作温度300 K，器件参数如下。计算器件的光电流。解：光电流计算公式：原题则为12.4 A【习题2.6 】工作在300K温度下的硅材料长PN结，入射光由GaAs光源发出，光功率密度为，外加偏置为5 V，并假定器件内部的载流子产生率处处相等，且器件参数如下：计算：（1）电子和空穴的扩散长度；（2）瞬态光电流；（3）总光电流。解：（1）（2）（3）【习题2.7】一个长的GaAs光电导检测器（n型掺杂），其长度为，横截面积为，少数载流子寿命为。外加偏置电压为5V，电子迁移率，空穴迁移率。计算：（1）电子和空穴的饱和漂移速度；（2）器件增益。解：（1）（2）（3）【习题2.8】

46、用Si材料PN结制作的光电池，反向饱和电流为，入射光功率为2W，光子能量为1.43eV，器件量子效率为80%，理想因子为1.25。请计算：（1）PN结的光电流；（2）光电池的开路电压；（3）若填充因子为0.75，求其对外输出的最大功率。解：（1） （2）（3）【习题2.9】光电池的各项参数如上题，用若干个光电池构成一个光电池系统，若此系统对外输出电压为5 V，输出功率为15 W，求组成此系统所需要的光电池数目。解：串联个数：；并联组数：【习题2.10 】工作在300K的硅材料光电导检测器，器件参数如下，外加偏置为5V，载流子产生率为计算：（1）非平衡载流子密度；（2）光电导率；（3）器件增益。

47、解：（1）（2）（3）【习题2.11】GaAs材料制作的PIN检测器，器件参数如下：假设产生的所有非平衡载流子均能移动到两极形成光电流，计算：（1）器件的量子效率；（2）PIN检测器的光电流。解：量子效率定义。据题意，每个被吸收的光子都能产生一个电子-空穴对，即吸收的光子数与产生的电子-空穴对数目相等，且产生的所有电子-空穴对都能运动到两端电极形成电流，因此被吸收的光子占入射光子的比重就是量子效率。PIN管产生的电流是漂移电流，只需要计算在本征区产生的电流即可。【习题2.12】Si材料制作的PIN检测器，本征区宽度为，两端重掺杂区的光吸收可以忽略不计，吸收系数为，忽略表面反射的影响。计算：（1

48、）器件的最大量子效率；（2）若使器件的量子效率达到80%，则本征区厚度最小应是多少？解：（1）当产生的电子-空穴对都能被电极收集时，器件可能获得最大量子效率（2）假设量子效率达到80%时，本征区长度为L，则有：【例题3.1】 一个LED其主体结构为GaAs材料制作的PN结，工作在300K室温条件下，GaAs本征半导体载流子密度为。PN结的参数如下，求此PN结的注入效率。电子扩散系数空穴扩散系数P区掺杂N区掺杂电子少数载流子寿命空穴少数载流子寿命解：少子浓度为；扩散长度为：；。【例题3.2】 GaAs材料制作的LED，其参数与例题3.1中相同，假设注入的总的电流为0.35mA，辐射效率为0.5。

49、（1）请计算此LED产生的光子流；（2）GaAs带隙为1.43 eV，计算产生的光功率。解：注入的电子电流为：产生的光子流为：【例题3.3】光束由GaAs材料向空气入射，计算界面处的反射率和全反射角；如果光束是从GaAs向折射率为1.5的玻璃介质入射，计算其反射率和全反射角。解：，若空气介质换为玻璃，反射率和全反射角分别为：，。结论：采用电介质罩结构，可有效降低菲涅尔损耗和全反射损耗。【例题3.4】一个出射光能分布符合余弦规律的LED，出射光束耦合进光纤，光纤纤芯折射率1.5，包层折射率1.4，计算光纤的最大接收角和光源与光纤的最大耦合效率。解：，。即：LED发出的光波中，最多只有6%能够耦合

50、进光纤。【例题3.5】一个由P-N+型同质结构成的LED，其工作参数如下。计算：（1）器件的总量子效率；（2）单位时间内产生的载流子数目；（3）注入电流 。输出光功率注入效率出光效率辐射复合寿命非辐射复合寿命解：（1）器件的总量子效率（外量子效率）：（2）单位时间产生的载流子数目：出光效率为0.2，即产生的光功率中有20%能够输出，而输出功率为1 mW，因而产生的光功率为5 mW，对应光子数目为：。（3）注入电流：总的量子效率的含义是单位时间内输出的光子个数与输入的电子个数的比值，即存在下列关系：；因而，注入电流为：【习题3.1】 P-N+型同质结构成的LED，参数如下。计算其注入效率。电子扩散系数空穴扩散系数N区掺杂浓度P区掺杂浓