《光电子材料与器件》考试重点复习

1、1、能带形成的原理 孤立原子的电子占据一定的原子轨道， 形成一系列分立的能级。 如果一定数量的 原子相互结合形成分子， 则原子轨道发生分裂， 形成的分子轨道数正比于组成分 子的原子数。 在包括半导体在内的固体中， 大量原子紧密结合在一起， 轨道数变 得非常巨大， 轨道能量之差变得非常小， 与孤立原子中的分立能级相比， 这些原 子轨道可视为能量是近似连续分布的。 这种能级近似连续分布的能量范围， 即为 能带。2、半导体发光机理半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁的同时， 会以光子的形式释放多 余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。电子由高能态向低能态跃迁的同时，

2、产生相应能量间隔的光子。 电子的跃迁， 要求价带有价带电子， 同时导带有相应的空穴， 即在导带、 价带中存在电子空穴 对，通过电子空穴的复合，半导体可以发射光子。3、光电探测原理 将光辐射的作用， 视为所含光子与物质内部电子的直接作用， 也就是物质内部电 子在光子的作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。4、pn 结形成空间耗电区的原理形成PN结后，由于n区和p区载流子浓度的差异，n区的多数载流子电子、 p 区的多数载流子空穴分别向对方区域扩散并与其多数载流子复合。 这就造成 PN 结 n 区一侧附近电子浓度降低， 留下不能移动的施主离子， 产生局部的正电荷区 域。PN结p区一侧的附近空穴

3、浓度降低，留下不能移动的受主离子，产生局部 的负电荷区域。由于局部正负电荷的存在，PN结附近会产生一个由n区指向p区的内建电场。电场阻碍n区的电子继续向p区扩散，同时使n区的少数载流子 空穴向 p 区漂移， 同样，电场阻碍 p 区的空穴继续向 n 区扩散， 同时使 p 区的少 数载流子电子向n区漂移。随着扩散的减弱，飘移的增强，最终实现载流子的动 态平衡。 PN 结附近载流子被耗尽的区域称为空间电荷区，或者耗尽区。5、直接带隙半导体和间接带隙半导体的区别直接带隙： 导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光 子的发射。 III-V 族元素的合金，典型的如 GaAs 等。间接带隙

4、：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方； 电子空隙复合需要声 子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。6、半导体发光材料特性砷化傢(GaAs):直接跃迁型 闪锌矿结构发射的光子能量1.42eV左右，相应波长 873nm 附近，红外波段磷化傢(GaP):间接跃迁型 闪锌矿结构 间接带隙宽度2.26eV,离子性为0.374,氮化傢(GaN):直接跃迁型纤锌矿结构带隙宽度3.39eV7、什么是发光二极管 发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成， 一层带过量的电子， 另一层因 缺乏电子而形成带正电的“空穴” ，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释 放出能量，从而辐射出光芒。8、半导体

5、激光器的阈值条件1Jm gL L In （1/RR2）9、激光器的构成，工作物质激励源谐振腔10、三能级、四能级系统工作原理在三能级系统中，E1为基态，同时也是激光下能级。E2和E3虽都是激发 态，但E3为短寿命能级，E2为激光上能级，是具有较长寿命的亚稳态。从基态 被泵浦WP抽运到E3的原子能够迅速通过无辐射跃迁转移到 E2能级。E1上的 原子被向上抽运和E2能级上原子数的积累便形成了这两个能级间的集居数密度 反转分布。四能级系统激光下能级E1是一个距基态E0有足够大能级差的激发态。在 热平衡情况下，该能级原子集居数密度很小，近似是一个空的能级，且具有很短 的能级寿命。通常跃迁到E1能级的原

6、于能迅速返回基态。具有大的无辐射跃迁几率， 或者以大的速率将下能级抽空是四能级系统能否形成足够大的反转集居数密度 并且维持这种反转分布的关健之一。区别：下能级是一个空的能级，是四能级系统的泵浦性能优于三能级系 统的原因所在，因为实现上能级与一个空能级之间的反转分布毕竟要比与一个相 当满的基态能级之间的反转分布来得容易。11、谐振腔横模的表示方法12、光纤的分类（一）、按照纤芯折射率分布：阶跃折射率光纤，渐变折射率光纤；（二八按照传输模式划分：单模光纤，多模渐变型光纤，多模阶跃型光纤；（三八按照波长划分：传输波长分为：紫外、可见、红外（短波长08-0.9微米,长波长 1.3-1.6um）（四八按

7、照材料划分：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳 等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（五八按照用途功能划分：传输信息（光通信）的光纤和传输能量的光纤（导光纤维）传输信息的光纤大多采用光缆（很多根光纤组成）传输能量的光纤主要有低双折射光纤、 模梯度光纤等。13、光纤数值孔径的概念的相关计算。对于阶跃型光纤有：N .A. n0 sin高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多n12n2对于偏折射光线有：NAsn0 sin(s) Sin 0m0mcos2n1cos2n214、石英玻璃的几种损耗的定义及异同点。吸收损耗：本征

8、吸收损耗，杂质吸收损耗，原子缺陷损耗 散射损耗：瑞丽散射，波导散射，非线性效应散射 弯曲损耗：宏弯损耗，微弯损耗。影响传输距离15、光纤无源器件、有源器件的定义及异同。光纤无源器件：是一种能量消耗型器件，主要包括：光纤连接器件、光开关、光 衰减器、光隔离器件、光滤波器和波分复用/解复用器等光纤有源器件：区别：元件在实现其本身功能时是否发生光电能量的转换。16、光纤耦合器相关特性参量计算。分光定册分光症黑聽需曲氛附加损耗定义值饵“严出腸囂笄叭插人损耗定义耗值r恣叽17、光调制的定义及分类定义：通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使传播的光波携 带信息的过程。这种将信息加载于激光的过

9、程称之为调制。（在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换）分类：（一）、调制位置：内调制（直接调制），外调制（间接调制）；（二八 物理调制：电光调整，声光调制，磁光调制，其他（如：电吸收调制）（三）、调制形式：模拟调制，数字调制，脉冲调制；（四）、调制光波的参量：振幅调制，相位调制，偏振调制。18、内调制和外调制的区别和异同点内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变 调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。19、电光调制种

10、类（一）、 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）（二）、横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）20、布拉格方式和拉曼赖斯衍射方式的异同点。拉曼：声光作用长度短，超声波的频率低，光波垂直于声场反向，声光介质可视 为静止的平面相位光栅；布拉格：声光作用长度长，超声波的频率高，光波以一定的角度入射声光介质， 会贯穿多个声波面，声光介质具有“体光栅”的特性。21、光电探测器的分类 光子器件，热电器件22、光电效应和光热效应的区别 光子效应（光电效应）：指单个光子能够直接产生光生载流子的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接 引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子能量的大小，直接影响内部电子状 态的

11、改变。特点一一光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变， 而 是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升 ，温度上升的结 果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点一一原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。23、光敏电阻工作原理原理：光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电 探测器件。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变 为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中的电流很小； 有光照时

12、，光生载流子迅速增加，阻值急剧减小，在电路中形成电流。优点：24、PIN光电二极管的组成结构和特点。i区是一层接近本征的掺杂很低 的n区，在这种结构中，零场区 薄，i区厚，耗尽层几乎占据所有 pn结。光子充分吸收。本征层掺杂低，电阻率低，电阻 很高，从而暗电流很小。i区的引入增大了耗尽层厚度，结 电容减小特点：结电容明显减小，频率响 应特性得到改善； 电阻很高，从而暗电流很小。 Si-PIN暗电流小于1nA。耗尽层加宽，量子效率提高。25、雪崩光电二极管的工作原理 雪崩光电二极管具有增益的功能，能对光信号进行放大。 雪崩光电二极管能承受高的反向偏压，在 pn 结内部形成高的电场区。 光生电子或

13、空穴经过高场区被加速， 从而获得足够的能量。 电子和空穴在高速运 动中与晶格发生碰撞， 使晶体中的原子电离， 从而激发新的电子空穴对， 即所谓 的碰撞电离。碰撞电离后产生的电子再次被电场加速， 碰撞出更多的电子空穴对， 使载流子浓 度增加，即发生雪崩增益。26、液晶显示、等离子体显示、电致发光显示的异同点。 液晶显示：液晶材料在电场的作用下对外界进行调制，从而实现显示。 等离子体显示：利用惰性气体放电形成等离子体。电致发光显示： 可直接把电能转换为光能， 发光效率高， 通常作为一种冷光源使 用。27、等离子体的概念 由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子 化气体状物质

14、，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在 的第四态。等离子体是一种很好的导电体物质由分子组成， 分子由原子组成， 原子由带正电的原子核和围绕它的、 带 负电的电子构成。 当被加热到足够高的温度或其他原因， 外层电子摆脱原子核的 束缚成为自由电子，电子离开原子核，这个过程就叫做“电离” 。这时，物质就 变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊” ，因此人 们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，所以就叫等离子体。28、AC-PDP 的工作原理及存储特性解释工作原理：当放电单元的电极加上比着火电压 Vf 低的维持电压 VS 时，单 元中气体不会着火，如

15、在维持电压间隙加上幅度高于 Vf 的书写电压 Vwr ，单元 将放电发光， 放电形成的电子、 离子在电场作用下分别向该瞬时加有正电压和负 电压的电极移动， 由于电极表面是介质， 电子、离子不能直接进入电极而在介质 表面累积起来， 形成壁电荷， 在外电路中， 壁电荷形成与外加电压极性相反的壁 电压放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。 它将小于维持电压， 使放电空 间电场减弱，致使放电单元在26卩s内逐渐停止放电，因介质电阻很高，壁电 荷会不衰减地保持下来， 当反向的下一个维持电压脉冲到来时， 上一次放电形成 的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于 Vf ，单元再次着火发光 并在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷， 并再次使放电熄灭直到下 一个相反极性的脉冲的到来单元一旦由书写脉冲电压引燃， 只需要维持电压脉冲 就可维持脉冲放电，这个特性称为 AC-PDP 单元的存储特性。29、纳米微粒的特点（ 1）表面效应：尺寸小、表面大、活性高 ；（ 2）量子尺寸效应3)小尺寸效应4)宏观量子隧道效应 30、光子晶体光纤的结构及特点 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料。 通常由两种或者两种 以上具有不