光电子技术复习提纲含标准答案要点.docx

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光电子技术复习提纲含标准答案要点

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电导器件，

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：

1.55um和1.3um。

第2章

1.光信号的频率在哪个频段？

需要用什么器件检测？

答：

光信号的频率在1014Hz以上，常用的电子器件无法对这一频率段产生良好的响应，必须使用光电子器件。

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）光吸收——

（2）电子-空穴对产生——（3）载流子扩散和漂移——（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吸收，吸收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.半导体材料中的吸收过程可以分为哪两大类？

答：

本征吸收和非本征吸收

6.本征吸收又包括哪些？

答：

（1）直接吸收；

（2）间接吸收

7.非本征吸收包括哪些？

答：

（1）激子吸收；

（2）带内吸收；（3）杂质吸收

8．本征吸收的必要条件？

9.直接吸收中参与的粒子是什么？

遵守哪两种守恒？

答：

只有电子和光子的参与，没有第3种粒子的参与。

且入射光子的能力必须大于该材料的带隙。

整个过程中遵守动量守恒和能量守恒。

10.在间接吸收过程中，为保持吸收过程的动量守恒，必须有哪种量参与？

答：

在间接吸收过程中，为保持吸收过程的动量守恒，必须有声子的参与。

11.吸收功率的计算。

答：

12.有效吸收对有源层厚度的要求。

答：

13.声子的产生过程？

答：

14.杂质吸收的特点。

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，因此杂质吸收所对应的吸收谱往往在红外甚至是远红外区。

杂质吸收的吸收系数一般很小，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:

☐需要窄带隙材料

☐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（吸收层厚）

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载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.实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.根据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？

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）在不考虑大气吸收情况下，到达地面的太阳光功率密：

1350W/m2

（2）考虑大气影响，晴朗天气，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高低。

（其中和分别是匹配电阻情况下（负载电阻与内阻相等），对外输出的电流和电压，在此条件下对外输出功率达到最大值）

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，从而改变了硅材料的性质，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）类似于直接带隙材料，吸收系数比Si大得多，厚度通常在um左右；

（3）可以使用几乎所有的衬底材料，具有良好的使用灵活性。

25.光电导检测器产生增益的原因是什么？

答：

产生增益的原因：

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，每被电极收集一次，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。

31.PIN管结构特点？

答：

（1）PIN管工作在反向偏置电压下，且偏置电压不能太高，以

避免产生击穿效应；

（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

的主要吸收区。

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，加上外加反向偏置的作用，

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，决定了PIN管具有较高的响应速度。

32.PIN管在器件设计阶段需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足一定的误码率条件下，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，广泛用于光纤通信系统

35.APD中下列结构的作用？

（1）抗反膜；

（2）保护环；

（3）热沉。

36.PIN和APD各自的光吸收区是哪个？

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）电子穿越光吸收区的渡越时间；

（2）雪崩过程所需要的时间；

（3）雪崩过程中产生的空穴穿越吸收区所需要的时间。

第3章

1.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：

☐结构简单；

☐价格低廉；

☐可靠性高。

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？

答：

3.电子-空穴对的复合过程有哪两种？

答：

●辐射复合：

产生光子；

●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辐射复合，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：

（1）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）发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会吸收光子，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:

（1）尽量减小吸收损耗；

（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，应该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，并不需要这样做？

答：

12.与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光纤之间的耦合效率更高？

13.简述LED的P-I特性。

答：

（1）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，俄歇复合逐渐加剧；

（3）当注入电流增大到一定程度，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。

：

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，俄歇复合越强，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需要的因素。

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

1.激光器是利用受激辐射产生光子，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致。

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受激辐射发射激光的源头；

（2）LD工作在高电场条件，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足谐振条件而迅速增强，逐渐在整个光波中占有绝对优势，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，这是普通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一定能量范围内，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）含特殊反射器的表面发射腔

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：

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别。

答：

定义：

其物理含义是指限制在有源区中的光波在整个光腔内的所有光波中所占的比例。

区别：

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，对光波的限制能力弱，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吸收所带来的损耗（如这些区域内的杂质等引起的光吸收）；

（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）载流子对光子的吸收造成的损耗；

（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两次并回到其出发点时，其强度应保持不变，这就是激光输出的阈值条件。

10.温度变化对激光器中心波长的影响，注入电流的变化对激光器增益谱的影响。

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。

如果在平行于出射端面上放置一个成像面，则横模表现为在成像面上的光斑形状。

横模主要受到光腔的横截面形状和横向尺寸的影响。

横截面形状影响光斑形状，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原因。

答：

13温度对阈值的影响体现在哪几个方面？

答：

（1）温度升高时，需要更高的注入载流子浓度，才能满足粒子数分布反转的需要，激光器的注入电流密度阈值亦升高；

（2）温度升高，漏电流增大，需要更高的注入电流才能满足阈值条件；

（3）温度升高，俄歇效应更强烈，窄带隙材料尤其如此，因而需要更高注入电流才能满足阈值条件。

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具体影响？

答：

利用不同的应变方式，可以改变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，容易导致多模输出；

⏹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采取的两种结构是什么？

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。

按照横向尺寸限制方式的不同，分为两类：

（1）Gainguidedcavities（GGC：

增益导引型光腔）

（2）Indexguidecavities（IGC：

折射率导引型光腔）

18.DFB激光器的优点？

答：

⏹温度稳定性好；

⏹线宽窄；

⏹易保持单模输出（静态及调制状态下）

19.SEL型激光器的优缺点？

答：

优点：

⏹阈值电流小，可以减小至亚毫安量级；

⏹腔长小,可以减小至10um量级,易于制作光电集成电路（OEIC）。

缺点：

●电流注入困难；

●难以有效散热。

第5章

1.LD的调制的分类？

答：

（1）直接调制；

（2）间接调整。

2.直接调制的分类？

答：

（1）大信号调制；

（2）小信号调制；

（3）脉冲编码调制（脉码调制。

3.三种调制方式对比？

答：

（1）大信号调制：

信号幅度变化大，总电流会发生跨阈值的变化，器件响应速度低，但误码率很低。

（2）小信号调制：

信号变化幅度小，但器件偏置电流较大，LD始终工作在阈值以上，不会发生跨阈值的状态变化，器件响应速度最快，但误码率也较高。

（3）脉冲编码调制：

信号由“0“和”1“两种状态组成，且两种状态的区分非常明显，LD始终工作于阈值以上。

既能保证较高的响应速度，又能保持较低的误码率。

4.影响LD调制性能的外在因素有哪些？

答：

（1）外在因素：

与发光过程无关的因素造成的影响；

（2）内在因素：

与发光过程有光的因素造成的影响。

5.在偏置电流等其他外界条件相同的情况下，波长为2.5um的LD，其响应速度要比波长为0.8um的LD响应速度快，其可能原因是什么？

答：

6.什么是共振频率？

答：

7.LD小信号调制响应的限制因素有哪些静态偏置电流密度和阈值电流密度？

答：

（1）静态偏置电流密度和阈值电流密度；

（2）俄歇效应；

（3）光子寿命；

（4）微分增益。

第6章

1.半导体激光放大器的重要性能参数

（1）增益带宽积

（2）增益饱和

（3）放大器噪声

（4）频率啁啾

2.根据放大信号的脉冲宽度，分为连续波放大器和窄脉冲放大器。

1ns。