华中科技大学光电子器件导论2011级A卷参考答案

1、华中科技大学光学与电子信息学院学 号20132014 学年第二学期光电子器件导论试卷 (A 卷)题号一二三四五六总分姓 名得分积在靶棒表面上，随着燃烧器沿棒轴移动，就形成了孔性玻璃层。通过沿旋转棒轴上下移动燃烧器，玻璃预制件就一层一层形成了。实际操作中既可以移动棒轴，也可以移动燃烧器。先沉积光纤芯区域层后调整气相组成沉积包层区域层。一般在最后的预制件中大约需要 200 层。通过调整输进燃烧器中发生化学反应的四氯化硅和四氯化锗气体的相对含量，可以控制每层的组成因此也就控制了折射率。（7 分）然后用特殊的光纤拉制设备把预制件拉成光纤。先把玻璃棒送进一个高温炉。在炉中玻璃以粘性熔融物流动。当玻璃棒到

2、达加热区时，下端开始流动，然后用适当的张力拉底尖部，出所在专业、班级注意、否四三二一，改涂许不学。号内框方解题过程中可能用到的物理常数：真空中光的速度 c=2.9979108ms1；普朗克常数 h=6.62611034 Js；装电子电荷 e=1.602181019C；自由空间中电子的质量 me=9.1093910 28g一、(15 分) 一由折射率为 n = 3.5 的半导体材料制备的腔长为 200 m 的 FabryPerot 的光腔，两端各有一反射率为 0.95 的镜面。计算自由空间波长最接近 1550 nm 时腔内的模式数、光洁度(或锐度，finesse)和 Q 因子。解：已知， L =

3、 20010-6 m, n = 3.5, R = 0.95波长最接近1550 nm时腔内的模式数为：m =2 nL=2(3.5)(20010 6 )= 903.23（5分）来的就是光纤，最后用卷带鼓将其卷成筒。光纤的直径必须严格控制，以达到要求的波导特性。制备过程中用光学测厚仪来监控光线直径的变化，以随时调整光线卷扬机的速度和预制件送进器的速度，维持光纤直径不变。光纤拉出来后必须马上涂上一层聚合物，对光纤表面进行机械保护和化学保护。当裸光纤暴露在环境条件下，表面很快就会有很多小孔，这会严重降低光纤的力学性能。聚合物涂层需要硬化，有时要用两层聚合物涂层。包层厚度一般为 125-150m，连同涂层

4、，光纤的总厚度约为 250-500m。光纤周围有一层很厚的聚合物缓冲管，目的是保证光纤避免机械压力和微弯曲。有些光纤的缓冲管中还有其他的填充化合物以提高缓冲能力。（7 分）当光通过光纤传播时，会由于各种过程而发生衰减，这些过程主要取决于光的波长。光纤中的主要损耗有吸收、散射、微弯曲和宏弯曲损耗。（4 分）三、(16 分)。在半导体中有哪几种与光有关的电子跃迁过程？请你写出用 pn 结分别实现上述过程的定指在写填业级专班和(1550 10 9 )订光洁度(或锐度，finesse)为：F = R1/2= (0.95)1/2= 61.21（5分）1 R1 0.95Q因子为：的工作原理和器件结构。答：

5、半导体中有三种与光有关的电子跃迁过程，即受激吸收、自发发射和受激发射。半导体中三种光现象的关系为：受激吸收与受激发射是互逆的，而受激发射与自发发射的E2E2E2hhhInhOuthE1E1E1(a) Absorption(b) Spontaneous emission(c) Stimulated emissionQ = mF = (903)(61.21) =5.53104（5分）二、(18 分) 1966 年高锟(Charles Kuen Kao)发表了一篇题为“Dielectric-fibre surface waveguides foroptical frequencies”的论文，开创性

6、地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信线息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。2009 年因“在纤维中传送光以达成光学通讯的开拓成就(for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for opticalcommunication)”获诺贝尔物理学奖，其获奖演说为“Sand from centuries past; Send future voices fast”。请你详细叙述石英光纤的制备原理及工艺步骤。光纤中的主要损耗有哪些？答：根据用途不同，有许多生产光纤的工

7、艺过程。本题主要介绍目前应用最广泛的外部气相沉积技术。首先制作预制棒。所需要的气体四氯化硅、四氯化锗和氧、氢燃料于燃烧器中在靶棒表面上 明 火 燃 烧 。 在 明 火 中 ， 这 些 重 要 的 气 相 反 应 为 ： SiCl4(g)+O2(g)SiO2(g)+2Cl2(g) ；GeCl4(g)+O2(g)GeO2(g)+2Cl2(g)。这些反应的产物是细小的二氧化硅和二氧化锗玻璃微粒，它们沉区别在于跃迁中是否有外来光子的参与。如上图所示。（4 分）实现自发发射的 pn 结原理及器件结构：由直接禁带半导体组成的pn+结中，耗尽区主要向 p 侧延伸。从 n 侧的 Ec 到 p 侧的 Ec 间有

8、一个势垒 eVo，Vo 是内洽电压。n 侧自由电子浓度较高，由 n 侧向 p 侧扩散。但势垒 eVo 要阻止电子扩散。当 pn+结器件施加前置偏压 V 时，内洽电势由 Vo 降到 Vo-V，因此电子可从 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。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；它们是自发学号姓名所在专业、班级注意、否四三二一，改涂许不学号写填业。 级专内班框 和方的定指在装订线发射而不是受激发射。设计发光二极管结构时，必须保证发射的

9、光子能从器件中逃逸出来而不被半导体材料重新吸收。这就意味着，p 区必须足够窄。（3 分）实现受激发射的pn结原理及器件结构：简并掺杂直接带隙半导体pn结施加一较大的前置偏压时，可以使内洽势垒减少到接近于零，即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类似。最终电子和空穴分别从n侧和p侧流进空间电荷层，这个空间电荷区再也不会被耗尽。在空间电荷区中，靠近Ec能级处导带中的电子比靠近Ev的价带中的电子要多。换言之，在结附近靠近Ec的能级和Ev的能级之间发生了粒子数反转。具有能量为(Ec-Ev)的外来光子不能将电子从Ev激发到Ec上去，因为在Ev几

10、乎没有电子。但它能将电子从Ec能级激发到Ev上去。即外来光子激发了直接复合。存在粒子数反转（因此受激发射比吸收多）的区域或有源区存在光增益，因外来光子更可能导致受激发射而不是被吸收。（3分）实现受激吸收的 pn 结原理及器件结构：在 p+n 结二极管中 p 侧的受主浓度 Na 比 n 侧的施主浓度 Nd 要大得多。耗尽区几乎延伸到整个轻掺杂的 n 侧。如果对这种结构施加反向偏压，穿过整个高阻耗尽层宽度 W，使得穿过 W 的电压等于 Vo+Vr，Vr 是反向偏压。当具有能量大于禁带宽度 Eg 的光子入射时，它会被吸收并光生一个自由电子空穴对，在导带中产生一个电子，价带中产生一个空穴。耗尽层中的电

11、场 E 把这个电子空穴对分隔开，并使它们按反方向漂移直到进入电中性区。漂移的载流子外电路中产生光生电流。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。空穴漂移到达电中性的 p区时，它会同由负电极来的电子复合。相似地，电子漂移到达电中性的 n 区时，电子会离开 n 区进入电极。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）另外一种利用光伏原理实现受激吸收的 pn 结原理及器件结构：n 区很窄的 pn+结中，辐照穿过薄的 n

12、侧，耗尽区主要向 p 侧延伸。在耗尽层有一个内洽场 Eo。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。因为 n 区相当窄，所以大多数光子都是在耗尽区(W)和中性的 p 侧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内洽场 Eo 分开。电子漂向并到达中性的 n侧，由于电子带有负电荷e，结果使中性的 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。如果外面连接一个负载，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 侧和额外的

13、空穴复合。如果没有内电场 Eo，就不可能将光生电子空穴对分开，也不可能在 n 区积聚额外的电子，在 p 侧积聚额外的空穴。（3 分）四、(15分) Herbert Kroemer 在1950年代中期指出使用半导体异质结构能够提高半导体器件的性能，并提出了可以实现GHz级频率的异质结二极管概念。1963年又提出了双异质结构激光器的概念，这是半导体激光器的基础和核心技术。他和Zhores I. Alferov因“开发用于高速光电子中的半导体异质结构(for developing semiconductor heterostructures used in high-speed and optoel

14、ectronics)”而获得2000年诺贝尔物理奖。如果异质结由窄带隙的p型半导体(Eg1，1，1)和宽带隙的N型半导体(Eg2，2，2)构成，且Eg12和12，试画出其热平衡状态下的能带结构图，并简单说明你的作图步骤。答：作图步骤为：以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的 、Eg 值画出两种半导体材料的能带图；两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而它们的费米能级应相同，而各自的 和 值；画出空间电荷区(由内建电势可求空间电荷区宽度)， 值在空间电荷区以外保持各自的值不变；根据空间电荷区的电荷密度求解泊松方程，得到异质结两边的静电势及相应的电子或空穴的势垒高度。真空能级连续与带边

15、平行(弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，即由掺杂浓度决定)；形成异质结之后各自的 、Eg 不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。依照上述方法作图，就会发现异质结能带在界面处出现不连续，界面的导带出现明显的“尖峰”和“尖谷”。（5 分）该异质结热平衡状态下的能带结构图如下，左为独立半导体能带图，右为异质结能带图。（10分）x11NVD 真空能级x2真空能级EC1VDPECx112x22 VDNEC2Eg1EC2EC1ECF12F21F2EV1Eg1VDPpEVEg2F1Eg2VDNEV1EV2EVEV2pN-Xp0 XN图中：1=Ev1-

16、F1；2=Ec2-F2；Ec=1-2=，Ev=Ev2-Ev1 =（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg-=Eg-Ec ；Eg=Ec+Ev学号姓名所在专业、班级注意、否四三二一，改涂许不学。号内框方的定指在写填业级专班和五、(18 分) (a)量子阱激光二极管的优点有哪些？单量子阱激光二极管的缺点是什么，你怎样克服？ (b)GaAs 中导电电子的有效质量为 0.07me，其中 me 是真空中的电子质量。计算 8nm 厚的 GaAs 量子阱中电子的前三个能级分别为多少电子伏特？如果空穴的有效质量为 0.47me，则价带顶 Ev 之下空穴的能量是多少电子伏特？与块体 GaAs 半导体(Eg=1.42e

17、V)激光二极管的发射波长相比，该量子阱激光二极管的发射波长的变化了多少纳米？答：(a)和块体半导体激光二极管相比，量子阱激光二极管的主要优点有两点：一是达到粒子数反转装或激光发射的阈值电流密度显著下降；二是大多数电子处于或靠近 E1 能级，而空穴处于或靠近 E1能级。（2 分）受激发射的光子能量非常接近 E1E1，所以光增益曲线和带宽相当窄。单量子阱激光二极管的主要缺点也有两点：一是发射的光子不能很好地限制在量子阱中，二是在高电流时，量子阱中电子会泛滥，结果失去量子阱的作用。（2 分）使用多量子阱结构可以克服这两个缺点。（1 分）(b) GaAs 中导带边 Ec 有关的最低能级由一维势阱中电子

18、的能量 e=h 2 n2nx决定，式中 nx 是量8m d 2e子数，其值为 1，2，3，等整数，n 是和 GaAs 中导带边 Ec 有关的能量，或者 n=EnEc。将题给条件代入，可以分别求得e=h 2 nx2=(6.6261 10 34 Js)2 (1)2= 0.0839eV （3 分）8 0.07 9.10939 10 28 g (8nm)218me d 2订相同可求得： e2 = 0.336eV （1 分）和 e3= 0.755eV （1 分）GaAs 价带 Ev 以下的空穴能量为 =h 2 n2x8m d 2nh同样可以求得e1 = 0.0117eV（2 分）禁带宽度 Eg=1.42

19、eV 的块体半导体 GaAs 材料受激发射波长为()()线g =hc=6.626 10 343 108= 874 10 9 m (874nm) （2 分）(1.42 ) 1.60219)Eg10(而由 GaAs 量子阱发射的激光波长为QW =hc=(6.626 10 34 )(3 108 )= 819 10 9 m(819nm) （2 分）Eg + 1 + 1(1.42 + 0.0839 + 0.0117 )(1.602 1019 )两种激光器发射的激光的波长差为 gQW=55nm。（2 分）六、(18 分) 有 A 和 B 两种商用硅基 pin 光电二极管，其响应特性如右图所示，响应特性的不同是因为器件结构不同。光敏感区面积为 0.125mm2 (直径为 0.4mm)。分别用波长为 450nm、700nm 和 1000nm，光强均为 1Wcm-2 的蓝光、红光和红外光照射，请分别计算它们的光生电流和量子效率。从这些结果中你能得到什么结论？解：已知光强 Io = 1 W cm-2 = 10-8 W mm-2，面积 A =0.125 mm2。查图知，A 型光电二极管在波长为 450nm 时的 RA = 0.2 A/W