2014光電子復(fù)習(xí)提綱匯總

1、光電子學(xué)復(fù)習(xí)講義 2014第一部分：光電物理基礎(chǔ)【1】基本概念1) 本征吸收：半導(dǎo)體吸收一個(gè)能量大于禁帶寬度Eg的光子，電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這樣的過程稱為本征吸收。2) 激子吸收：在半導(dǎo)體中受激電子與空穴構(gòu)成的新系統(tǒng)可以看成一種“準(zhǔn)粒子”，并稱之為激子。激子可以通過所含電子和空穴的復(fù)合而輻射光子和聲子，其中能發(fā)射光子的激子復(fù)合過程對提高發(fā)光效率有很大的實(shí)用意義。3) 雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)吸收有三種情況，1：從雜質(zhì)中心的基態(tài)到激發(fā)態(tài)的激發(fā)可以引起線狀吸收譜。2：電子從施主能級(jí)到導(dǎo)帶或從價(jià)帶到受主能級(jí)的吸收躍遷。3：從價(jià)帶到施主能級(jí)或從被電子占據(jù)的受主能級(jí)到導(dǎo)帶的吸收躍遷。4) 費(fèi)米能級(jí)的概念：P22

2、5) 熱平衡狀態(tài)下本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí) 圖1-14 P246) 非平衡態(tài)載流子的產(chǎn)生、復(fù)合 圖1-157) 直接復(fù)合：自由電子直接由導(dǎo)帶回價(jià)帶與空穴復(fù)合8) 間接復(fù)合：自由電子和空穴通過晶體中的雜質(zhì)、缺陷在禁帶中復(fù)合9) 非本征吸收：包括雜質(zhì)吸收 自由載流子吸收 激子吸收 晶格吸收10) 本征發(fā)光：導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象11) 激子發(fā)光：激子在運(yùn)動(dòng)過程中，將能量從晶體的一處運(yùn)輸?shù)搅硪惶?，電子空穴?fù)合發(fā)光的過程稱為激子發(fā)光。12) 雜質(zhì)發(fā)光：雜質(zhì)發(fā)光有三種發(fā)光方式，1：電子從導(dǎo)帶到施主能級(jí)或從受主能級(jí)到價(jià)帶的躍遷，主要是無輻射躍遷。2:電子從導(dǎo)帶到受主能級(jí)或從施主能級(jí)到價(jià)帶

3、。3：施主受主對的輻射躍遷13) 內(nèi)光電效應(yīng)：表現(xiàn)為光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)。14) 外光電效應(yīng)：即光電子發(fā)射效應(yīng)（金屬或半導(dǎo)體受光照射，如果光子能量足夠大可以使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象）15) 金屬逸出功：電子從金屬中逸出需要的最小能量16) 電子親和勢：導(dǎo)帶體上的電子向真空逸出時(shí)所需要的最小能量17) 光電發(fā)射第二定律：光電發(fā)射體發(fā)射的光電子最大動(dòng)能隨入射光頻率的增大而線性增加，與入射光強(qiáng)無關(guān)。18) 輻射度量:與物理學(xué)對電磁輻射度的規(guī)定完全一致，適用于整個(gè)電磁波段19) 光度量：以人的視覺特性為基礎(chǔ)建立，只適用于可見光波段20) 偏振光及偏振度：振動(dòng)方向與傳播方向不對稱性叫做偏振，具有偏振性

4、的光叫做偏振光。光束中偏振部分的光強(qiáng)度和整個(gè)光強(qiáng)度之比值稱為偏振度?！?】基本原理1) 雜質(zhì)吸收與本征吸收的光譜范圍如何理解？答：（1）本征吸收區(qū)對應(yīng)于價(jià)帶電子吸收光子后躍遷至導(dǎo)帶的強(qiáng)吸收區(qū)，它處于紫外可見光與近紅外區(qū)。（2）雜質(zhì)吸收因固體材料及材料中雜質(zhì)各類而異。假設(shè)雜質(zhì)具有淺能級(jí)（約0.01eV），這種雜質(zhì)吸收僅在較低溫下（使kT雜質(zhì)電離能，k為玻爾茲曼常數(shù)，才能被觀察到。2) 半導(dǎo)體摻雜的目的？對半導(dǎo)體發(fā)光的限制作用？答：純正的半導(dǎo)體是靠本征激發(fā)來產(chǎn)生載流子導(dǎo)電的，但是僅僅依靠本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)量很少，而且容易受到外界因素如溫度等的影響。摻入相應(yīng)的三價(jià)或五價(jià)元素則可以在本征激發(fā)外產(chǎn)生

5、其他的載流子，可以大幅度的改善本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。（1） 為了使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生大的變化；因?yàn)殡s質(zhì)的電離能比禁帶寬度要小得多，所以雜質(zhì)的種類和數(shù)量對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。(2) 雜質(zhì)能級(jí)的位置有性質(zhì)不同的兩類：“淺能級(jí)”和“深能級(jí)”，前者起著“陷阱”的作用，后者通常是復(fù)合能級(jí)。室溫下用電子束激發(fā)GaAs發(fā)光時(shí)的相對效率與雜質(zhì)濃度載流子的產(chǎn)生與雜質(zhì)能級(jí)復(fù)合中心的平衡3) 半導(dǎo)體本征發(fā)光中的直接躍遷與間接躍遷的定義與區(qū)別？代表材料分別是？答：（1）直接躍遷：僅涉及一個(gè)（或多個(gè)）光子的躍遷；間接躍遷涉及一個(gè)（或多個(gè)）光子，還包含聲子的躍遷；（2）直接躍遷以III-V族化合物半導(dǎo)體以及由它們組成

6、的三四元固溶體為主,代表材料GaAs;間接躍遷代表材料Si基發(fā)光材料.4) 自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、受激吸收的關(guān)系？如何提高半導(dǎo)體的發(fā)光效率？答：（1）愛因斯坦關(guān)系： （2）吸收系數(shù)較高；直接帶隙躍遷；優(yōu)化雜質(zhì)能級(jí)吸收與發(fā)射；根據(jù)器件設(shè)計(jì)自發(fā)輻射與受激輻射系數(shù)的比重。5) 金屬、半導(dǎo)體光電子發(fā)射光電子發(fā)射的三個(gè)步驟？答：第一步：體內(nèi)電子吸收光子能量被激發(fā)躍遷到高能級(jí)第二步：被激發(fā)的電子向表面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與其它電子或晶格碰撞，失去部分能量。第三步：克服表面勢壘的束縛逸出表面。6) 本征光電導(dǎo)產(chǎn)生的條件？答：（1）光子能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度；（2）電子在導(dǎo)帶中有足夠的遷移率； （3）由光的輻

7、射產(chǎn)生的載流子數(shù)與材料中通?？傻玫降淖杂奢d流子相比，是可測量出來的?！?】基本計(jì)算1) 金屬、半導(dǎo)體光電子發(fā)射閾值的計(jì)算2) 馬呂斯定律對偏振度的計(jì)算3) 單層減反膜厚的計(jì)算4) 朗伯定律計(jì)算E=Icos/R2第二部分：光電轉(zhuǎn)換【1】基本概念1) 光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對光子的吸收引起載流子的變化，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的變化的現(xiàn)象；P732) P型光電導(dǎo)，N型光電導(dǎo)3) 本征光電導(dǎo)，雜質(zhì)光電導(dǎo)；器件及適用范圍4) 常見光電導(dǎo)材料：a、CdS和CdSe，低成本可見光光電導(dǎo)材料，光電導(dǎo)增益G=103-104，響應(yīng)時(shí)間較長，工作波段在紫、藍(lán)、綠短波區(qū)。b、PbS，近紅外靈敏光電導(dǎo)材料，光譜

8、范圍在1-3.4um，2um處最靈敏，響應(yīng)時(shí)間約200us。c、InSb，近紅外靈敏光電導(dǎo)材料，響應(yīng)峰波長約5um，熱噪聲較大。d、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe），中紅外靈敏光電導(dǎo)，峰值波長10um左右，通過調(diào)節(jié)Hg和Cd的相對比例可以改變禁帶寬度，從而改變靈敏波長，通常需要制冷，熱噪聲大。5) 光電溫度效應(yīng)：P746) 蛇形電極及光電導(dǎo)增益原理：起源于“電荷放大”效應(yīng)，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)（位于禁帶中）會(huì)捕獲少數(shù)載流子，如N型（P型）光電導(dǎo)的空穴（電子）會(huì)被雜質(zhì)能級(jí)捕獲，使光電導(dǎo)帶正電（負(fù)電），而吸引負(fù)極（正極）的電子（空穴）進(jìn)入光電導(dǎo)，在電場作用下漂移到正極（負(fù)極），這就相當(dāng)于增加了電子（空

9、穴）的產(chǎn)生率。（P78）7) 光伏效應(yīng)：當(dāng)照射光激發(fā)出電子空穴對時(shí)，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，稱為光生伏特效應(yīng)。8) PN結(jié)：PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。9) 突變PN結(jié)：在冶金界面處雜質(zhì)濃度突變的P-N結(jié)稱為突變PN結(jié)。10) 緩變PN結(jié)：從P區(qū)到N區(qū)摻雜濃度逐漸改變的PN結(jié)稱為緩變PN結(jié)。11) 空間電荷區(qū)：在PN結(jié)中由于自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)建電場的漂移運(yùn)動(dòng)，使PN結(jié)的中間部位出現(xiàn)凈正、負(fù)電荷的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。12) 光電池的結(jié)構(gòu)：是在N硅片上擴(kuò)散硼形成P層，并用電極引線把P和N層引出，形成

10、正負(fù)電極。為防止表面反射光，提高轉(zhuǎn)換效率，通常在器件受光面上進(jìn)行氧化，形成保護(hù)膜。13) 短路電流：當(dāng)負(fù)載電阻為0時(shí)，流經(jīng)負(fù)載的電流。14) 開路電壓：當(dāng)負(fù)載電路開路時(shí)，光電池的輸出電壓。15) 填充因子：光電池最大輸出功率的值占以為邊長的矩形面積的百分比，是輸出特性曲線“方形”程度的量度。 16) 光伏IV曲線 p9517) 二次電子發(fā)射的定義與過程：具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些材料時(shí)，表面將發(fā)射出新的電子，此現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。P135過程：(1).原初電子射入發(fā)射體，在體內(nèi)發(fā)生能量損失，激發(fā)產(chǎn)生次級(jí)電子的過程。(2).激發(fā)的次級(jí)電子從激發(fā)地點(diǎn)向表面運(yùn)動(dòng)的過程。（其中包括與“自由”電子，聲

11、子，離子等碰撞。）(3).到達(dá)表面的次級(jí)電子克服表面勢壘逸出的過程?！?】基本原理1) PN結(jié)內(nèi)建電場的作用？答：P、N區(qū)由于濃度差，引起N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散，同樣P區(qū)空穴也向N區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果，在交界面兩側(cè)留下不能移動(dòng)的正負(fù)離子，它們之間相互作用，生成一個(gè)電場，方向由N區(qū)指向P區(qū)，由于該電場存在于結(jié)合的半導(dǎo)體中，所以稱為內(nèi)建電場。其作用是阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散，載流子在內(nèi)建電場作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。2) 光電池的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換效率的影響因素？改進(jìn)方向？答：影響因素：改進(jìn)方向：（1）通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和創(chuàng)新來提高轉(zhuǎn)換效率：疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率。（2）開

12、發(fā)新材料來提高轉(zhuǎn)換效率：聚合物多層修飾電極型太陽能電池；納米晶太陽能電池。（3）采用全新的構(gòu)思來提高轉(zhuǎn)換效率：改進(jìn)傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)來提高轉(zhuǎn)換效率；采用量子點(diǎn)超晶格型來提高轉(zhuǎn)換效率。3) 2CU硅光二極管與2PU硅光二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入環(huán)的意義。答：P1034) 硅光二極管與PIN、APD二極管的比較？答：相同點(diǎn)：工作原理相同，都是基于pn結(jié)工作的不同點(diǎn)：PIN: 用于光至電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通訊中常用，主要的有工作于850nm波段和1100nm-1650nm波段的,轉(zhuǎn)化效率一般在0.85A/W左右，信噪比可以做到很高，這個(gè)過程中的噪聲主要是熱噪聲；APD:和PIN相比，多了一個(gè)雪崩增益區(qū)，可以發(fā)大

13、光生電流，從而提高轉(zhuǎn)化效率，但是雪崩增益本身也會(huì)產(chǎn)生噪聲。5) 光電倍增管的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？答：（1）入射窗結(jié)構(gòu)（光窗）：入射光的通道，同時(shí)也是對光吸收較多的部分6) 光電倍增管倍增級(jí)的陰極靈敏度、陽極靈敏度測試電路？P1377) 光電倍增管暗電流產(chǎn)生的原因與降低措施？答：暗電流產(chǎn)生的原因：降低措施：（1） 在使用光電倍增管時(shí)，保證管殼和所有連接件的清潔干燥是十分必要的。（2） 選用熱發(fā)射小的陰極材料，并在滿足使用的前提下，盡量減小光電陰極的面積，降低光電倍增管溫度。（3） 在管子封口前應(yīng)低溫烘烤多余的殘余氣體。（4） 降低工作電壓場致發(fā)射暗電流也將下降；加工時(shí)要精細(xì)，電極邊應(yīng)做成彎卷狀。（5） 在

14、陰極為負(fù)高壓應(yīng)用時(shí)屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為1020mm?！?】基本計(jì)算7) PN結(jié)平衡載流子計(jì)算？8) 光敏電阻光電特性計(jì)算？某型號(hào)光敏電阻在100lx光照下阻值RA為2k，在110lx光照下，值為0.9，求在110lx光照下的阻值RB9) 光電池發(fā)光效率計(jì)算？10) PMT光電倍增管陽極靈敏度、陰極靈敏度的計(jì)算、最大入射光通量、供電電壓的計(jì)算？例題：已知某光電倍增管的陽極靈敏度為100A/lm，陰極靈敏度2A/lm，陽極輸出電流應(yīng)限制在100A范圍內(nèi)，問最大允許的入射光通量為多少lm？(作業(yè)）第三部分：電光轉(zhuǎn)換【1】基本概念1) 激光器的種類：按激光工作物質(zhì)主要可以分為：固體激光器，

15、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等。2) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過受激輻射使處于基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)E2上，使處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)大大超過E1的原子數(shù)，這樣的狀態(tài)叫做粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。原子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收光子，這稱為受激吸收，而處于高能級(jí)的原子會(huì)隨機(jī)發(fā)射出光子而回到低能態(tài)，這稱為自發(fā)輻射。處于高能態(tài)的原子，在一個(gè)與發(fā)射光子能量相同的光子的作用下，輻射出與作用光子相同狀態(tài)的光子而回到低能態(tài)，這種輻射稱為受激輻射。3) 泵浦：促使大量低能級(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級(jí)上的過程叫做泵浦4) 氣體導(dǎo)電：氣體在特定的條件下呈現(xiàn)一定的導(dǎo)電性，并伴隨著復(fù)雜的光，電，熱，聲等物理化學(xué)反應(yīng)的過程。5)

16、彈性碰撞：碰撞的粒子間只交換動(dòng)能和動(dòng)量，不交換內(nèi)能，粒子間遵守動(dòng)能和動(dòng)量守恒定律。6) 非彈性碰撞：碰撞的粒子間既交換動(dòng)能也交換內(nèi)能，粒子間遵守能量和動(dòng)量守恒定律。7) 帶電粒子的產(chǎn)生：原子或分子在吸收一定的能量后可以使其內(nèi)部電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，也就是處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)吸收足夠的能量后，原子可以失去一個(gè)電子，稱為帶正電的離子，這就是電離。帶點(diǎn)粒子的來源有源于氣體內(nèi)部（碰撞電離，熱電離，光電離）和源于電極（正電子碰撞，光電子發(fā)射，熱電子發(fā)射，強(qiáng)場發(fā)射）。平均自由程：對于氣體分子：相鄰兩次碰撞之間的平均距離，即稱為分子的平均自由程。8) 非自持放電：去掉外電離因素的作用后放電隨即停止。9) 自持放

17、電：不需要外界因素，僅由電場作用而維持的放電過程。10) 擊穿電壓：當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，氣體被擊穿，由原來的絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體的電壓值稱為擊穿電壓?！?】基本原理1) 半導(dǎo)體激光器工作原理？答：半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。2) LD與LED的結(jié)構(gòu)區(qū)別？答：（1）LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合發(fā)光而LD是受激輻射復(fù)合發(fā)光（2）結(jié)構(gòu)上的差別：LD有光學(xué)諧振腔，使產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩放大，LED沒有諧振腔。（3）性能上的差別 ：LED沒有閾值特性 ,光譜密度比LD高幾個(gè)數(shù)量級(jí) , LED輸出光功率

18、小,發(fā)散角大。3) 粒子碰撞與質(zhì)量的關(guān)系？答：（1）彈性碰撞：質(zhì)量相近的粒子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，碰撞粒子幾乎把它的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楸慌鲎擦Ｗ拥膭?dòng)能。而質(zhì)量小的粒子與質(zhì)量大得多的粒子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，質(zhì)量小的粒子幾乎不損失能量。（2）非彈性碰撞：質(zhì)量相近的粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，碰撞粒子至多將其動(dòng)能的一半轉(zhuǎn)化為被碰撞粒子內(nèi)能的變化。而質(zhì)量小的粒子與質(zhì)量大得多的粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，質(zhì)量小的粒子幾乎可以將其全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化成質(zhì)量大的粒子內(nèi)能的變化。4) 湯生放電的過程？湯生理論局限？答：（1）湯生放電過程：一種描述低氣壓（約104帕以下）條件下氣體擊穿的理論。在極間電場足夠大時(shí)，電子在電場中獲得足夠能量使氣體粒

19、子產(chǎn)生激發(fā)和電離，新生的電子和離子在電場作用下又獲得能量產(chǎn)生激發(fā)和電離，以致電子向陽極運(yùn)動(dòng)過程中帶電粒子濃度按指數(shù)規(guī)律增長，這種現(xiàn)象稱電子雪崩或電子繁流。在這過程中所產(chǎn)生的正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)使陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射，又增長了電子繁流過程，直至所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射等于初始電子發(fā)射，此時(shí)即使撤離外致電離源也能維持放電，由此推得放電自持的條件是：，其中是正離子轟擊陰極的二次電子射系數(shù)，是電子在電場方向運(yùn)行單位距離所產(chǎn)生的電離數(shù)，即電離系數(shù)，d是極間距離。（2） 湯生理論局限：湯生放電理論從物理概念上清晰地解釋了低、中氣壓下氣體導(dǎo)電中的許多現(xiàn)象，并從理論上建立了氣體擊穿的判據(jù)式和巴邢定律。但實(shí)驗(yàn)表明高氣壓放電時(shí)有些現(xiàn)象難以用湯生放電理論加以解釋。比如：a、氣體放電的形成需要一個(gè)時(shí)間過程，就是當(dāng)兩電極間加上擊穿電壓的瞬間，到放電從非自持放電轉(zhuǎn)變到自持放電的時(shí)間，這