《光電子材料與器件》考試重點復習

1、1、能帶形成的原理 孤立原子的電子占據一定的原子軌道， 形成一系列分立的能級。 如果一定數量的 原子相互結合形成分子， 則原子軌道發(fā)生分裂， 形成的分子軌道數正比于組成分 子的原子數。 在包括半導體在內的固體中， 大量原子緊密結合在一起， 軌道數變 得非常巨大， 軌道能量之差變得非常小， 與孤立原子中的分立能級相比， 這些原 子軌道可視為能量是近似連續(xù)分布的。 這種能級近似連續(xù)分布的能量范圍， 即為 能帶。2、半導體發(fā)光機理半導體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的同時， 會以光子的形式釋放多 余的能量，這稱為輻射躍遷，輻射躍遷的過程也就是半導體材料的發(fā)光過程。電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的同時，

2、產生相應能量間隔的光子。 電子的躍遷， 要求價帶有價帶電子， 同時導帶有相應的空穴， 即在導帶、 價帶中存在電子空穴 對，通過電子空穴的復合，半導體可以發(fā)射光子。3、光電探測原理 將光輻射的作用， 視為所含光子與物質內部電子的直接作用， 也就是物質內部電 子在光子的作用下，產生激發(fā)而使物質的電學特性發(fā)生變化。4、pn 結形成空間耗電區(qū)的原理形成PN結后，由于n區(qū)和p區(qū)載流子濃度的差異，n區(qū)的多數載流子電子、 p 區(qū)的多數載流子空穴分別向對方區(qū)域擴散并與其多數載流子復合。 這就造成 PN 結 n 區(qū)一側附近電子濃度降低， 留下不能移動的施主離子， 產生局部的正電荷區(qū) 域。PN結p區(qū)一側的附近空穴

3、濃度降低，留下不能移動的受主離子，產生局部 的負電荷區(qū)域。由于局部正負電荷的存在，PN結附近會產生一個由n區(qū)指向p區(qū)的內建電場。電場阻礙n區(qū)的電子繼續(xù)向p區(qū)擴散，同時使n區(qū)的少數載流子 空穴向 p 區(qū)漂移， 同樣，電場阻礙 p 區(qū)的空穴繼續(xù)向 n 區(qū)擴散， 同時使 p 區(qū)的少 數載流子電子向n區(qū)漂移。隨著擴散的減弱，飄移的增強，最終實現載流子的動 態(tài)平衡。 PN 結附近載流子被耗盡的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，或者耗盡區(qū)。5、直接帶隙半導體和間接帶隙半導體的區(qū)別直接帶隙： 導帶的最低位置位于價帶最高位置的正上方；電子空隙復合伴隨光 子的發(fā)射。 III-V 族元素的合金，典型的如 GaAs 等。間接帶隙

4、：導帶的最低位置不位于價帶最高位置的正上方； 電子空隙復合需要聲 子的參與，聲子振動導致熱能，降低了發(fā)光量子效率。6、半導體發(fā)光材料特性砷化傢(GaAs):直接躍遷型 閃鋅礦結構發(fā)射的光子能量1.42eV左右，相應波長 873nm 附近，紅外波段磷化傢(GaP):間接躍遷型 閃鋅礦結構 間接帶隙寬度2.26eV,離子性為0.374,氮化傢(GaN):直接躍遷型纖鋅礦結構帶隙寬度3.39eV7、什么是發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是由數層很薄的攙雜半導體材料制成， 一層帶過量的電子， 另一層因 缺乏電子而形成帶正電的“空穴” ，當有電流通過時，電子和空穴相互結合并釋 放出能量，從而輻射出光芒。8、半導體

5、激光器的閾值條件1Jm gL L In （1/RR2）9、激光器的構成，工作物質激勵源諧振腔10、三能級、四能級系統(tǒng)工作原理在三能級系統(tǒng)中，E1為基態(tài)，同時也是激光下能級。E2和E3雖都是激發(fā) 態(tài)，但E3為短壽命能級，E2為激光上能級，是具有較長壽命的亞穩(wěn)態(tài)。從基態(tài) 被泵浦WP抽運到E3的原子能夠迅速通過無輻射躍遷轉移到 E2能級。E1上的 原子被向上抽運和E2能級上原子數的積累便形成了這兩個能級間的集居數密度 反轉分布。四能級系統(tǒng)激光下能級E1是一個距基態(tài)E0有足夠大能級差的激發(fā)態(tài)。在 熱平衡情況下，該能級原子集居數密度很小，近似是一個空的能級，且具有很短 的能級壽命。通常躍遷到E1能級的原

6、于能迅速返回基態(tài)。具有大的無輻射躍遷幾率， 或者以大的速率將下能級抽空是四能級系統(tǒng)能否形成足夠大的反轉集居數密度 并且維持這種反轉分布的關健之一。區(qū)別：下能級是一個空的能級，是四能級系統(tǒng)的泵浦性能優(yōu)于三能級系 統(tǒng)的原因所在，因為實現上能級與一個空能級之間的反轉分布畢竟要比與一個相 當滿的基態(tài)能級之間的反轉分布來得容易。11、諧振腔橫模的表示方法12、光纖的分類（一）、按照纖芯折射率分布：階躍折射率光纖，漸變折射率光纖；（二八按照傳輸模式劃分：單模光纖，多模漸變型光纖，多模階躍型光纖；（三八按照波長劃分：傳輸波長分為：紫外、可見、紅外（短波長08-0.9微米,長波長 1.3-1.6um）（四八按

7、照材料劃分：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料（碳 等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。（五八按照用途功能劃分：傳輸信息（光通信）的光纖和傳輸能量的光纖（導光纖維）傳輸信息的光纖大多采用光纜（很多根光纖組成）傳輸能量的光纖主要有低雙折射光纖、 模梯度光纖等。13、光纖數值孔徑的概念的相關計算。對于階躍型光纖有：N .A. n0 sin高雙折射光纖、涂層光纖、液芯光纖和多n12n2對于偏折射光線有：NAsn0 sin(s) Sin 0m0mcos2n1cos2n214、石英玻璃的幾種損耗的定義及異同點。吸收損耗：本征

8、吸收損耗，雜質吸收損耗，原子缺陷損耗 散射損耗：瑞麗散射，波導散射，非線性效應散射 彎曲損耗：宏彎損耗，微彎損耗。影響傳輸距離15、光纖無源器件、有源器件的定義及異同。光纖無源器件：是一種能量消耗型器件，主要包括：光纖連接器件、光開關、光 衰減器、光隔離器件、光濾波器和波分復用/解復用器等光纖有源器件：區(qū)別：元件在實現其本身功能時是否發(fā)生光電能量的轉換。16、光纖耦合器相關特性參量計算。分光定冊分光癥黑聽需曲氛附加損耗定義值餌“嚴出腸囂笄叭插人損耗定義耗值r恣嘰17、光調制的定義及分類定義：通過改變光波的振幅、強度、相位、頻率或偏振等參數，使傳播的光波攜 帶信息的過程。這種將信息加載于激光的過

9、程稱之為調制。（在光通信系統(tǒng)中實現從電信號到光信號的轉換）分類：（一）、調制位置：內調制（直接調制），外調制（間接調制）；（二八 物理調制：電光調整，聲光調制，磁光調制，其他（如：電吸收調制）（三）、調制形式：模擬調制，數字調制，脈沖調制；（四）、調制光波的參量：振幅調制，相位調制，偏振調制。18、內調制和外調制的區(qū)別和異同點內調制：是指加載調制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調制信號去改變激光器的振蕩參數，從而改變激光輸出特性以實現調制。外調制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調制器，用調制信號改變 調制器的物理特性，當激光通過調制器時，就會使光波的某參量受到調制。19、電光調制種

10、類（一）、 縱向電光調制（通光方向與電場方向一致）（二）、橫向電光調制（通光方向與電場方向垂直）20、布拉格方式和拉曼賴斯衍射方式的異同點。拉曼：聲光作用長度短，超聲波的頻率低，光波垂直于聲場反向，聲光介質可視 為靜止的平面相位光柵；布拉格：聲光作用長度長，超聲波的頻率高，光波以一定的角度入射聲光介質， 會貫穿多個聲波面，聲光介質具有“體光柵”的特性。21、光電探測器的分類 光子器件，熱電器件22、光電效應和光熱效應的區(qū)別 光子效應（光電效應）：指單個光子能夠直接產生光生載流子的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接 引起原子或分子的內部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大小，直接影響內部電子狀 態(tài)的

11、改變。特點一一光子效應對光波頻率表現出選擇性，響應速度一般比較快。光熱效應：探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變， 而 是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升 ，溫度上升的結 果又使探測元件的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。特點一一原則上對光波頻率沒有選擇性，響應速度一般比較慢。23、光敏電阻工作原理原理：光敏電阻阻值對光照特別敏感，是一種典型的利用光電導效應制成的光電 探測器件。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變 為傳導態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。無光照時，光敏電阻的阻值很大，電路中的電流很??； 有光照時

12、，光生載流子迅速增加，阻值急劇減小，在電路中形成電流。優(yōu)點：24、PIN光電二極管的組成結構和特點。i區(qū)是一層接近本征的摻雜很低 的n區(qū)，在這種結構中，零場區(qū) 薄，i區(qū)厚，耗盡層幾乎占據所有 pn結。光子充分吸收。本征層摻雜低，電阻率低，電阻 很高，從而暗電流很小。i區(qū)的引入增大了耗盡層厚度，結 電容減小特點：結電容明顯減小，頻率響 應特性得到改善； 電阻很高，從而暗電流很小。 Si-PIN暗電流小于1nA。耗盡層加寬，量子效率提高。25、雪崩光電二極管的工作原理 雪崩光電二極管具有增益的功能，能對光信號進行放大。 雪崩光電二極管能承受高的反向偏壓，在 pn 結內部形成高的電場區(qū)。 光生電子或

13、空穴經過高場區(qū)被加速， 從而獲得足夠的能量。 電子和空穴在高速運 動中與晶格發(fā)生碰撞， 使晶體中的原子電離， 從而激發(fā)新的電子空穴對， 即所謂 的碰撞電離。碰撞電離后產生的電子再次被電場加速， 碰撞出更多的電子空穴對， 使載流子濃 度增加，即發(fā)生雪崩增益。26、液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯示的異同點。 液晶顯示：液晶材料在電場的作用下對外界進行調制，從而實現顯示。 等離子體顯示：利用惰性氣體放電形成等離子體。電致發(fā)光顯示： 可直接把電能轉換為光能， 發(fā)光效率高， 通常作為一種冷光源使 用。27、等離子體的概念 由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負電子組成的離子 化氣體狀物質

14、，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在 的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體物質由分子組成， 分子由原子組成， 原子由帶正電的原子核和圍繞它的、 帶 負電的電子構成。 當被加熱到足夠高的溫度或其他原因， 外層電子擺脫原子核的 束縛成為自由電子，電子離開原子核，這個過程就叫做“電離” 。這時，物質就 變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的“漿糊” ，因此人 們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負電荷總量相等，所以就叫等離子體。28、AC-PDP 的工作原理及存儲特性解釋工作原理：當放電單元的電極加上比著火電壓 Vf 低的維持電壓 VS 時，單 元中氣體不會著火，如

15、在維持電壓間隙加上幅度高于 Vf 的書寫電壓 Vwr ，單元 將放電發(fā)光， 放電形成的電子、 離子在電場作用下分別向該瞬時加有正電壓和負 電壓的電極移動， 由于電極表面是介質， 電子、離子不能直接進入電極而在介質 表面累積起來， 形成壁電荷， 在外電路中， 壁電荷形成與外加電壓極性相反的壁 電壓放電空腔上的電壓為外加電壓和壁電壓之和。 它將小于維持電壓， 使放電空 間電場減弱，致使放電單元在26卩s內逐漸停止放電，因介質電阻很高，壁電 荷會不衰減地保持下來， 當反向的下一個維持電壓脈沖到來時， 上一次放電形成 的壁電壓與此時的外加電壓同極性，疊加電壓峰值大于 Vf ，單元再次著火發(fā)光 并在放電腔的兩壁形成與前半周期極性相反的壁電荷， 并再次使放電熄滅直到下 一個相反極性的脈沖的到來單元一旦由書寫脈沖電壓引燃， 只需要維持電壓脈沖 就可維持脈沖放電，這個特性稱為 AC-PDP 單元的存儲特性。29、納米微粒的特點（ 1）表面效應：尺寸小、表面大、活性高 ；（ 2）量子尺寸效應3)小尺寸效應4)宏觀量子隧道效應 30、光子晶體光纖的結構及特點 是一種介電常數隨空間周期性變化的新型光學微結構材料。 通常由兩種或者兩種 以上具有不