光电子器件导论2006级试题参考答案

1、电子科学与技术系2006级集成光电子技术导论试题参考答案及评分标准一、填空题(20分，每空1分)-1、目前光纤通信所用光波的光波波长范围为:0.81.8m ,属于电磁波谱中的近红外区。-2、光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，它由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。-3、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长：0.85m，1.31m，1.55m；最低损耗窗口的中心波长是在： 1.55m。-4、光纤的色散分为 材料色散波导色散和模式色散。-5、光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是：自发辐射，受激吸收，受激辐射；产生激光的最主要过程是：受激辐射。-6、光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率；光检

2、测器的作用是将光信号功转换为电信号电流。二、单项选择题(10分，每题2分)1 光纤通信指的是： B A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式；B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式；C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式；D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足： B A- V2.405 B- V3.832 D- V3.8323 使用连接器进行光纤连接时，如果接续点不连续，将会造成： C A 光功率无法传输；B 光功率的菲涅耳反射；C 光功率的散射损耗；D 光功率的一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光的放

3、大是通过： D A 光学谐振腔来实现；B 泵浦光源来实现；C 外加直流来实现；D 粒子数反转分布的激活物质来实现。 5 掺铒光纤的激光特性： A A 主要由掺铒元素决定；B 主要由起主介质作用的石英光纤决定；C 主要由泵浦光源决定；D 主要由入射光的工作波长决定。三、1、同质结发光二极管有两个缺点。p区必须足够窄，以保证发射的光子能从器件中逃逸出来而不被半导体材料重新吸收。当p区很窄的时候，有些被注入p区的电子会扩散到半导体表面，通过表面附近的晶体缺陷复合。这种非辐射复合过程将减少光的输出功率。（1分）此外，如果由于较长的电子扩散长度使得复合过程在相对较大的体积中发生，那么发射的光子被重新吸收

4、的可能性就增加；被重新吸收的光子的数量随材料体积增大而增加。（1分）因为p-GaAs导带和p-AlGaAs导带之间存在一个势垒Ec，所以这些扩散的电子被限制在p-GaAs的导带中。（1分）所以宽禁带的AlGaAs起着限制层的作用，把注入的电子限制在p-GaAs层。注入电子和已经存在于p-GaAs层的空穴的复合导致自发光子发射。因为AlGaAs的禁带宽度Eg比GaAs的禁带宽度Eg大，所以发射的光子不被重新吸收而从有源层逃逸出来，最后到达器件的表面。因为光在p-AlGaAs也不被吸收，而是被反射而增加光输出的强度。（1分）AlGaAs/GaAs异质结的另一个优点就是在这两种晶体结构之间只存在很小

5、的晶格失配。所以，和常规同质结发光二极管结构中半导体表面的缺陷相比，双异质结器件中的应力诱导界面缺陷（即位错）可以忽略。双异质结发光二极管的效率比同质结发光二极管大得多。（1分）2、在前置偏压下，电子被注入到充当有源层的GaAs层的导带上。（1分）注入的电子积聚在上，意味着上的电子浓度随电流增加而快速增加，因此不需要大电流注入大量的电子就可以很容易实现粒子数反转。（1分）电子从到的受激跃迁使得量子阱能进行激光发射。量子阱有两个明显的优点。第一，同体状半导体材料相比，粒子数反转也就是受激发射的阈值电流明显降低。例如在单量子阱（SQW）激光器中，阈值电流一般为0.51mA，而在双异质结激光器中，阈

6、值电流一般为1050mA。（1分）其次，因为大多数电子靠近而空穴靠近，所以被发射光子的能量范围就非常接近。（1分）结果就是，量子阱激光器的输出光谱范围即线宽比体状半导体激光器要窄的多。（1分）四、1、发光二极管(LED)实际上就是一个由直接禁带半导体（如GaAs）组成的pn+结，其中电子空穴对(EHP)复合导致光子的发射。所以发射的光子的能量近似等于禁带宽度，即。pn+结器件的耗尽区主要是向p侧延伸。从n侧的到p侧的之间有一个势垒，也就是说，这里是内洽电压。n侧导电自由电子浓度较高，使得导电电子由n侧向p侧扩散。但是，电子势垒要阻止净的电子扩散。当pn+结器件一施加外加前置偏压时，在穿过耗尽区

7、时这个电压就会下降，因为这是器件的主要电阻部分。结果是，内洽电势由降到，这样就使得电子可以从n+扩散到或注入到p区。从p区注入到n+区的空穴比从n+区注入到p区的电子要少得多。注入的电子在耗尽区和电中性的p区与空穴复合，结果导致光子自发发射。符合主要是发生在耗尽区和p区中电子的扩散长度范围内。这个复合区域通常称作有源区。由于少数载流子注入导致电子空穴对复合而发光的现象叫做注入电致发光。由于电子和空穴之间复合过程的统计本质，发射出来的光子的方向是随机的；它们是自发发射而不是受激发射。因此在设计发光二极管结构的时候，必须保证发射的光子能从器件中逃逸出来而不被半导体材料重新吸收。（2分）2、掺杂简并

8、直接带隙半导体pn结中，在没有外加电压时，整个二极管的费米能级是连续的，。这种pn结的耗尽区或空间电荷层(SCL)是相当窄的。其中有一个由内洽电压产生的内洽势垒，以防止n侧导带中的电子扩散到p侧的导带中。还有一个相似的势垒阻止p侧价带中的空穴扩散到n侧的价带中。简并掺杂半导体pn结是置于一个电压大于禁带电压的前置偏压中，即。那么外加电压就可以使内洽势垒减少到接近于零，这意味着电子流进空间电荷层并越过空间电荷层进入到p侧，形成二极管电流。空穴从p侧到n侧的空穴势垒降低情况是类似的。最终的结果是电子和空穴分别从n侧和p侧流进了空间电荷层，这个空间电荷区再也不会被耗尽。如果画出的能带图，这个结论也是

9、显而易见的。在空间电荷区中，靠近能级处导带中的电子比靠近的价带中的电子要多。换言之，在结附近靠近的能级和的能级之间发生了粒子数反转。这个粒子数反转区是沿结方向的一个薄层，具有能量为的外来光子不能将电子从能级激发到上去，因为在能级几乎没有电子，但它却能将电子从能级激发到上去。（3分）3、具有p+n型结的典型pn结光电二极管的简化结构，也就是在这种结构中p侧的受主浓度比n侧的施主浓度要大得多。辐射照射一侧有一个用环形电极限制的窗，以保证光子进入器件。上面还有一层防反射涂层，一般为Si3N4，以减少光反射。p侧一般很薄（小于1m），通常是用平面扩散进入n型外延曾而得到的。电荷是在耗尽区内，或空间电荷

10、层(SCL)中，代表p侧中暴露的荷负电的受主和n侧中暴露的正电荷的施主。耗尽区几乎延伸到整个轻掺杂的n侧，而至多它有几个微米。光电二极管一般都是反向偏压。穿过整个高阻耗尽层宽度，外加反向偏压下降，并使得穿过的电压等于，这里是内洽电压。对图5.1(b)中穿过的净空间电荷密度积分就可求出电场，受电压差控制。电场仅仅只存在于耗尽区中而且不均匀。当具有能量大于禁带宽度的光子入射时，它会被吸收并光生一个自由电子空穴对，也就是在导带(CB)中产生一个电子，在价带(VB)中产生一个空穴。通常光子的能量就是在耗尽区中光生一个电子空穴对的能量。耗尽层中的电场把这个电子空穴对分隔开了，并使它们按反方向漂移直到进入

11、图5.1(a)所示的电中性区。漂移的载流子使得在提供电信号的外电路中产生一个叫做光生电流。光生电流的持续时间就是电子和空穴穿过耗尽层（）进入电中性区所花费的时间。当漂移的空穴到达电中性的p区时，它会同由负电极也就是电池来的电子复合。相似地，当漂移的电子到达电中性的n区时，电子会离开n区进入电极（电池）。光生电流取决于光生的电子空穴对的数量以及载流子越过耗尽层时的漂移速度。因为电场不均匀，并且光子的吸收发生在取决于波长的一段距离上，所以光生电流信号的时间依赖性不可能用一种简单的形式来决定。（3分）4、典型的太阳能电池是一个有很窄的但是重掺杂n区的pn结。辐照穿过薄的n侧。耗尽区（）或空间耗尽层（

12、SCL）主要是向p侧延伸。在耗尽层有一个内洽场。附着在n侧的电极使得辐照能够进入器件，同时会产生一个小的串联电阻。这些电极沉积在n侧上并在表面上形成手指电极阵列。在表面上还涂敷有一层防反射涂层来减少反射，以保证更多的光进入器件。因为n区相当窄，所以大多数光子都是在耗尽区（）和中性的p侧（p）被吸收并在这两个区光生电子空穴对(EHP)。耗尽区内光生的电子空穴对立即被迫使它们漂移的内洽场分开。电子漂向并到达中性的n侧，由于电子带有负电荷e，结果是中性的n侧也显负电性。相似地，空穴漂向并到达中性的p侧，所以使得这个区带正电。结果是在器件的两端之间产生了一个开路电压，其中p侧为正，n侧为负。加入外面连

13、接一个负载，那么n区额外的电子就能够在外电路中到处运动并做功，最后到达p侧，在那里这些电子和额外的空穴发生复合。必须记住的是，如果没有内电场，就不可能将光生电子孔穴对分开，也不可能在n区积聚额外的电子，在p侧积聚额外的空穴。（2分）五. For light traveling in medium 1 incident on the 1-2 interface at normal incidence,（2分）For light traveling in medium 2 incident on the 2-3 interface at normal incidence,（2分）thus,r23

14、= r12（1分）Significance? For an efficient antireflection effect, waves A (reflected at 1-2) and B (reflected at 2-3) in Figure 1Q4 below should interfere with near “total destruction”. That means they should have the same magnitude and that requires that the reflection coefficient between 1 and 2 shou

15、ld be the same as that between 2 and 3; r12 = r23. Thus, the layer 2 can act as an antireflection coating if its index n2 = (n1n3)1/2. This can be achieved by r12 = r23. （3分）The best antireflection coating has to have a refractive index n2 such that n2 = (n1n3)1/2 = (1)(3.5)1/2 = 1.87. Given a choic

16、e of two possible antireflection coatings, SiO2 with a refractive index of 1.5 and TiO2 with a refractive index of 2.3, both are close. （2分）The phase change for wave B going through the coating of thickness d is 2k2d where k2 = n2ko and ko = wavevector in free space = 2/. This should be 180 or . Thu

17、s we need 2n2(2/)d = or（1分）For SiO2= 0.15 m（2分）For TiO2= 0.10m（2分）六、The responsivity, (1) （2分）The noise equivalent power, (2) （2分）Substituting Eq. (1) in (2), we get （1分）We can improve NEP by increasing quantum efficiency and decreasing dark current Id. （From Example 5.10.1, for ideal photodiode (QE

18、 = 100% and Id = 0), for SNR = 1, （2分） （1分）If we put B = 1 Hz, then NEP is numerically equal to P1. Thus, （1分）NEP = 2hc/.（2分）Given, =1.55 m, （2分）七、1、Recall that n = 1 represents diffusion in the neutral regions and n = 2 is recombination in the space charge layer. In the n = 1 case Io ni2 and in the

19、 n = 2 case Io ni, thus in generalIo ni2/n（1分）Consider the open circuit voltage,or（2分）At two different temperatures T1 and T2 but at the same illumination level, by subtraction,（2分）where the subscripts 1 and 2 refer to the temperatures T1 or T2 respectively. We can substitute ni2/n = (NcNv)1/2exp(Eg/nkBT) and neglect the temperature dependences of Nc and Nv compared wit