光电子技术复习提纲(含标准答案)

第1章绪论

1.半导体光电器件是利用什么效应制作的器件？

答：利用半导体光电效应制成的器件。

2.半导体光电器件是哪两种粒子相互作用的器件？

答：是一种利用光子与电子相互作用所具有的特性来实现某种功能的半导体器件。

3.半导体发光器件主要包括哪两种？

答：（1）发光二极管；（2）半导体激光器。

4.光电器件主要有利用哪些效应制作的器件？

答：光电器件主要有利用半导体光敏特性工作的光甩导器件，

利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

5.什么是半导体发光器件？

答：利用半导体PN结正向通过电时载流子注入复合发光的器件称为半导体发光器件。

6.光电探测器件是如何转换信号的器件？

答：通过电子过程探测光信号的器件，即将射到它表面上的光信号转换为电信号。

7.光电检测器工作在反向偏置状态。

8.光电池是利用什么效应制作的？

答：光伏打效应。

9.光纤通信的两个重要窗口是哪些？

答：1.55uni和l.3umo

第2章

I.光信号的频率在哪个频段？须要用什么器件检测？

答：光信号的频率在10“Hz以上，常用的电子器件无法对这一频率段产生良好的响应，必需运用光电

子器件。

2.常用的光电检测器：PIN、APD

3.光电检测器的工作过程？

答：光电检测器件的工作过程：

（1）光汲取一一（2）电子-空穴对产生一一（3）载流子扩散和漂移一一（4）检测

4.光信号（光束）入射到半导体材料后，如何产生电子空穴对？

答：光信号（光束）入射到半导体材料后，首先发生的过程就是半导体材料对光子的汲取，汲取光子

以后才能产生价带电子的跃迁，从而产生电子空穴对。

5.半导体材料中的汲取过程可以分为哪两大类？

答：本征汲取和非本征汲取

6.本征汲取又包括哪些？

答：（1）干脆汲取；（2）间接汲取

7.非本征汲取包括哪些？

答：(1)激子汲取；(2)带内汲取；(3)杂质汲取

8.本征汲取的必要条件？

本征吸收的必要条件：

hu>huc=Eg称为截止频率。

称为截止波长。

E,=1.12eV

8siXc=1.10|nm

Eg:0.2eVf3.0eV

E,=0.67eVXc=1.85Rm

Xc:6.0pm—>0.4pm

=1.45eVXc=0.86|Lim

9.干脆汲取中参加的粒子是什么？遵守哪两种守恒？

答：只有电子和光子的参加，没有第3种粒子的参加。且入射光子的实力必需大于该材料的带隙。整

个过程中遵守动量守恒和能量守恒。

10.在间接汲取过程中，为保持汲取过程的动量守恒，必需有哪种量参加？

答：在间接汲取过程中，为俣持汲取过程的动量守恒，必需有声子的参加。

II,汲取功率的计算。

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：

&(0)：Afi功率

4二%(£)="缄③(0):透射功率

月6:③(0)—£=[1—以(0)：吸收功率

要达到有效吸收=>L>-aJ=>LT

a

对于常用半导体材料Si和Ge(间接带隙材料):

3-1

asl-10cm=>LSi>—~10/zm(10-20/nn)

=^>>--l/an(only-1/nn)

答:

【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L43eV,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2.5xl0%nr】。

P

—=1-90%=10%

POp（0）

oe-a=10%

=>L=--In0.1=0.92/2m

a

12.有效汲取对有源层厚度的要求。

答：

13.声子的产生过程？

答：

14.杂质汲取的特点。

答：半导体材料中掺入杂质后，会在禁带内形成杂质能级，杂质能级往往是浅能级，因此杂质汲取所对

应的汲取谱往往在红外甚至是远红外区。杂质汲取的汲取系数一般很小，且须工作在极低温度下。

15.长波长检测器的设计方案有哪些？各自特点？

答：（1）本征检测器：

□须要窄带隙材料

□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（汲取层厚）

16.响应度描述的是什么？单位是？

答：描述的是入射单位功率的光功率，能够从检测器中输出多大的电流，单位为：A/W,

17.器件效率的定义。

答：单位时间内对外输出的教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。

18.体材料器件和应变量子阱器件对晶格匹配度的不同要求。

19.好用的光电检测器以什么结构为基础？检测器形成的光电流主要有哪两类？各自特点如何?

20.依据PN结的电场分布特点，整个PN结可以分为哪三个部分？

21.PN结的两种工作模式是什么？

PN结的两种工作模式:

--P--N——

内部：

NfP_-_--_-_--_--_--_--，------7

Rsi«tJRL

7WW——~~••—e------7WW-

PI

DIsRh

LS

TB

r

.L

^

光伏模式光电导模式

R,:分流电阻器）C等效电容

SrlD:

22.在不同条件下，太阳光谱的辐射强度有何不同？

答：在不同条件下，太阳光谱的辐射强度不同：

（1）在不考虑大气汲取状况下，到达地面的太阳光功率密：1350W/m2

（2）考虑大气影响，请朗天气，到达地面的光功率密度：952W/m2

光功率密度最强的光波长为0.48,处于可见光光谱内。

23.转换效率是什么？

转换效率是指光电池对外输出的最大功率与输入的光功率的比值，它所表征的是光电池将光能量转换

为电能量的效率凹凸。

=媪x100%=x100%

PmPm

（其中/和/分别是匹配电阻状况下（负载电阻与内阻相等），对外输出的电流和电压，在此条件

mso

下对外愉出功率达到最大值j

24.非晶硅的制作原理及特点？

答：制作原理是：在较低温度下（约600℃）析出硅膜，在此过程中，充入大量的氢原子，破坏了硅晶

体中原子排列的周期性，从而变更了硅材料的性质，其特性表现在：

（1）有效带隙增大，约1.6eV左右（Si晶体为1.12eV）；

（2）类似于干脆带隙材料，汲取系数比Si大得多，厚度通常在um左右；

（3）可以运用几乎全部的衬底材料，具有良好的运用敏捷性。

25.光电导检测器产生增益的缘由是什么？

答：产生增益的缘由：每一个电子-空穴对并非只被电极收集一次，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•次，都会对电信号的形成有贡献，直到复合。

26.什么是增益带宽积？

答：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。

U+4

ttrI"n)

31.PIN管结构特点？

VI.P-I-N检测器（PIN）

PT层极薄,对光的吸收可以忽略；

n+层位于i层的后面.对光的吸收亦可忽略:

i层很厚，绝大多数光子都在这一层吸收，目在光的

答：透射方向上，载流子产生率GL并非常数。

（1）PIN管工作在反向偏置电压下，且偏置电压不能太高，以

避开产生击穿效应；

（2）两侧重掺杂p+区和n+区很薄，中间i区要厚得多，i区是光

的主要汲取区。光电流主要是由i区产生的非平衡载流子定向

运动所形成的；

（3）与i相邻的两侧区域都是重掺杂，加上外加反句偏置的作用，

使i区成为完全耗尽区，其产生的电流为瞬态电流，响应速度

很快，确定了PIN管具有较高的响应速度。

32.PIN管在器件设计阶段须要考虑的因素有哪些？

33.接收器件的灵敏度的定义？

答：接收器件的灵敏度是指在满意肯定的误码率条件下，器件能够检测到的最小信号功率.

34.PIN与APD的性能特点？

答：PIN特点：无增益，但噪声小，SNR较高

APD特点：噪声较大，但有较高增益，信号功率亦高，SNR较高

两种器件都具有较高的信噪比，性能优良，广泛用F光纤通信系统

35.APD中下列结构的作用？

（I）抗反膜；

（2）爱护环;

（3）热沉。

36.PIN和APD各自的光汲取区是哪个？

37,碰撞电离率的定义？

答：定义为在单位距离上载流子碰撞电离出的电子-空穴对的数目。

38.APD的响应速度主要受到哪三种时间参数的影响？

答：（1）电子穿越光汲取区的渡越时间；

（2）雪崩过程所须要的时间；

（3）雪崩过程中产生的空穴穿越汲取区所须要的时间。

第3章

I.LED是通过自发辐射过程发光的器件，与通过受激辐射发光的半导体激光器相比，其优缺点是什么？

答：LED是通过自发辐射过程发光的器件，与通过受激辐射发光

的半导体激光器相比，其不同之处在于：

□结构简洁；

□价格低廉：

□牢靠性高。

但其不足之处在于：

■响应速度低；

■输出功率小；

■输出频谱宽。

2.LED器件内部的主要光电过程？

在正向外加偏置下，少数截流子注入P-N结（注入）

U

注入的少数载流子与半导体材料中的多数载流于复合（复合）

U

答：光子辐射（发光）

3.电子-空穴对的复合过程有哪两种？

答：

•辐射复合：产生光了；

•非辐射复合：不产生光子，能量以其他形式散失。

4.间接带隙材料内部的复合过程大多属于什么过程？

答：间接带隙材料内部的复合过程大多属于非幅射复合，例如俄歇过程。

5.辐射效率的定义。

答：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。

6.在正向偏置条件下，注入PN结的电流由哪三部分构成？

答：在正向偏置条件下，注入

PN结的电流由三部分构成：

（I）注入到P区的电子扩散电流Jn；

（2）注入到N区的空穴扩散电流Jp；

（3）中间耗尽层中由陷阱复合导致的电流JGR

7.什么是外量子效率？

答：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。

8.出光效率的定义及其影响因素是什么？

答：（1）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因素：

（2）发光区产生的光子须要穿过肯定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会汲取光子，产

生电子-空穴对；

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；

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。

9.提高出光效率的措施有哪些？

答：（I）尽量减小汲取损耗；

（2）降低菲涅尔损耗；

（3）降低表面全反射损耗；

10,双异质结结构为何能提高注入效率？

答：双异质结结构可使注入的电子和空穴被两侧势垒有效束缚在中间有源区，使有源区汇聚了较高

浓度的载流子，提高了注入效率,

11.为什么在同质结LED中，应当使电子注入电流尽量大，空穴注入电流尽量小，而在异质结LED中，

并不须要这样做？

答：

12,与一般的面放射LED相比较，为什么边幅射LED与光纤之间的耦合效率更高？

13.简述LED的P-I特性。

答：

（I）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；

（2）注入电流越大，器件发热越明显，俄歇复合渐渐加剧；

（3）当注入电流增大到肯定程度，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。

14.LED在低注入和高注入条件下谱宽的估算。

LED线光的估算（以能量表示）：

hehe_hc(4—4)_he△月

A7?=卜—一卜七

义，1yL,zV"

♦在低注入条件下AF〜kT〜0.026eV（室温300K）

♦在高注入条件下\E­—kT

N,

n为我流于浓度，N6为导带的有效带边布度。

15.LED发光的温度特性是什么？

答：温度对LED的工作特性有重要影响，这种影响从两个方面体现出来：

（1）在较高温度下，更多的载流子以漏电流的形式到达电极区，而不是相互复合产生光子；

（2）温度越高，俄歌复合越强，降低了器件的发光效率。

16.简述要提高LED的输出光功率，器件设计器件设计时须要的因素。

答：（1）注入载流子密度；

（2）器件横截面积；

（3）有源区厚度。

17.影响LED寿命的因素有哪些？（即LED的失效有哪三类？）

答：影响LED寿命的因素主要包括：

（1）早期失效；

（2）反常失效；

（3）渐变失效。

第4章

i.激光器是利用受激柏射产生光子，其激励方式（能量注入方式）有哪些？

答：（1）电流注入（利用PN结结构的载流子注入）；

（2）电子束注入；

（3）激光注入；

（4）碰撞电离。

2.自发辐射特点。

答：（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。

3.受激辐射特点：

答：（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样。

4.LD产生激光出射的过程？

答：（1）正向偏置下，首先由器件内部的有源区自发辐射产生光子，这些光子中的极少一部分会引起

受激辐射，这些光子就是LD受激辐射放射激光的源头；

（2）LDT：作在高电场条件、即外界激励很强，载流子浓度高，有源区达到粒子数分布反转；

（3）光谐振腔的存在，使其中一部分光子因满意谐振条件而快速增加，渐渐在整个光波中占有肯

定优势，最终克服器件损耗，形成稳定的激光输出。

5.什么是粒子数分布反转？

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，这是一般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，其粒子数分布反转是指在肯定能量范围内，导带内的电子比价

带内的电子还要多。

6.常见光腔种类有哪三种？

答：（1）F-P腔

（2）含周期光栅的分布反馈式光腔（DFB和DBR）

（3）含特别反射器的表面放射腔

6.F-P腔的共振频率的定义？纵模的计算及分布特点？

答：光腔的共振频率又称为光腔的纵模。

应的对共振频率为:c

u=q•X1

7.光波限制因子的定义？体材料激光器与量子阱激光器的光波限制因子的区分。

答：定义：其物理含义是指限利在有源区中的光波在整个光腔内的全部光波中所占的比例。

区分：光波限制因子是衡量有源区对光波限制作用的强弱的参数，其大小与激光器的结构有关，不

同的激光器其光波限制因子有很大差别。例如：

体材料半导体激光器，如F-P腔LD,光波限制因子接近于100%；

量子阱半导体激光器，由于有源层很薄，对光波的限制实力弱，其光波限制因子大约只有1%左右。

8.光腔内部的主要损耗过程

答：（1）限制层及电极区对光子汲取所带求的损耗（如这些区域内的杂质等引起的光汲取）；

（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）载流子对光子的汲取造成的损耗；

（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）。

9.激光输出的阈值条件的含义？

答：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苣次并回到其动身点时，其强度应保持不变，这就是激光输出的阈值条件。

10.温度变更对激光器中心波长的影响，注入电流的变更对激光器增曲谱的影响。

答：

11.横模的定义及其影响因素？

答：激光器内部的光场在横向上的稳定的场分布。假如在平行于出射端面上放置•个成像面，则横模表

现为在成像面上的光斑形态。横模主要受到光腔的横截面形态和横向尺寸的影响。横撷面形态影响

光斑形态，横向尺寸影响横模的数目。（m,n

12.多模激光器其输出曲线上出现弯折的缘由。

答：

13温度对阈值的影响体现在哪几个方面？

答：（1）温度上升时，须要更高的注入载流子浓度，才能满意粒子数分布反转的须要，激光器的注入电流

密度阈值亦上升；

（2）温度上升，漏电流增大，须要更高的注入电流才能满意阈值条件；

（3）温度上升，俄歇效应更剧烈，窄带隙材料尤其如此，因而须要更高注入电流才能满意阈值条件。

14.激光器可在哪两方面进行改进？改进后的典型结构？

答：（1）电子特性的改进，典型结构：量子阱、应变量子阱、量子点、量子点；

（2）光子特性的改进，典型结构：DFB,DBR光栅结构、DBR结构的表面反射、微腔结构、能产

生带隙的周期性介质层

15.不同的应变方式对LD出射光波的偏振性的详细影响？

答：利用不同的应变方式，可以变更LD出射光波的偏振性。利用压缩应变效应制作的应变量子阱激

光器，出射光波为TE偏振，而利用拉伸应变效应制作的LD,出射光波为TM偏振。

16.GGC光腔的局限性：

答：

■脊形区对电流限制作用较弱，激光器阈值电流较大；

■横向尺寸对光波限制作用较弱，简洁导致多模输III;

■线宽较大；

■输出曲线易形成弯折。

17.F-P激光器在限制横向尺寸方面实行的两种结构是什么？

答：对F-P腔的改进主要是限制其横向尺寸，使其易获得单模输出。依据横向尺寸限制方式的不同,

分为两类：

（1）Gainguidedcavities（G