《光電子材料與器件》考試重點(diǎn)復(fù)習(xí)

1、1、能帶形成的原理 孤立原子的電子占據(jù)一定的原子軌道， 形成一系列分立的能級(jí)。 如果一定數(shù)量的 原子相互結(jié)合形成分子， 則原子軌道發(fā)生分裂， 形成的分子軌道數(shù)正比于組成分 子的原子數(shù)。 在包括半導(dǎo)體在內(nèi)的固體中， 大量原子緊密結(jié)合在一起， 軌道數(shù)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(jí)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(jí)近似連續(xù)分布的能量范圍， 即為 能帶。2、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的同時(shí)， 會(huì)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(guò)程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過(guò)程。電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的同時(shí)，

2、產(chǎn)生相應(yīng)能量間隔的光子。 電子的躍遷， 要求價(jià)帶有價(jià)帶電子， 同時(shí)導(dǎo)帶有相應(yīng)的空穴， 即在導(dǎo)帶、 價(jià)帶中存在電子空穴 對(duì)，通過(guò)電子空穴的復(fù)合，半導(dǎo)體可以發(fā)射光子。3、光電探測(cè)原理 將光輻射的作用， 視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用， 也就是物質(zhì)內(nèi)部電 子在光子的作用下，產(chǎn)生激發(fā)而使物質(zhì)的電學(xué)特性發(fā)生變化。4、pn 結(jié)形成空間耗電區(qū)的原理形成PN結(jié)后，由于n區(qū)和p區(qū)載流子濃度的差異，n區(qū)的多數(shù)載流子電子、 p 區(qū)的多數(shù)載流子空穴分別向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散并與其多數(shù)載流子復(fù)合。 這就造成 PN 結(jié) n 區(qū)一側(cè)附近電子濃度降低， 留下不能移動(dòng)的施主離子， 產(chǎn)生局部的正電荷區(qū) 域。PN結(jié)p區(qū)一側(cè)的附近空穴

3、濃度降低，留下不能移動(dòng)的受主離子，產(chǎn)生局部 的負(fù)電荷區(qū)域。由于局部正負(fù)電荷的存在，PN結(jié)附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。電場(chǎng)阻礙n區(qū)的電子繼續(xù)向p區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)使n區(qū)的少數(shù)載流子 空穴向 p 區(qū)漂移， 同樣，電場(chǎng)阻礙 p 區(qū)的空穴繼續(xù)向 n 區(qū)擴(kuò)散， 同時(shí)使 p 區(qū)的少 數(shù)載流子電子向n區(qū)漂移。隨著擴(kuò)散的減弱，飄移的增強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)載流子的動(dòng) 態(tài)平衡。 PN 結(jié)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(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別直接帶隙： 導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)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(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方； 電子空隙復(fù)合需要聲 子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。6、半導(dǎo)體發(fā)光材料特性砷化傢(GaAs):直接躍遷型 閃鋅礦結(jié)構(gòu)發(fā)射的光子能量1.42eV左右，相應(yīng)波長(zhǎng) 873nm 附近，紅外波段磷化傢(GaP):間接躍遷型 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)帶隙寬度3.39eV7、什么是發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成， 一層帶過(guò)量的電子， 另一層因 缺乏電子而形成帶正電的“空穴” ，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合并釋 放出能量，從而輻射出光芒。8、半導(dǎo)體

5、激光器的閾值條件1Jm gL L In （1/RR2）9、激光器的構(gòu)成，工作物質(zhì)激勵(lì)源諧振腔10、三能級(jí)、四能級(jí)系統(tǒng)工作原理在三能級(jí)系統(tǒng)中，E1為基態(tài)，同時(shí)也是激光下能級(jí)。E2和E3雖都是激發(fā) 態(tài)，但E3為短壽命能級(jí)，E2為激光上能級(jí)，是具有較長(zhǎng)壽命的亞穩(wěn)態(tài)。從基態(tài) 被泵浦WP抽運(yùn)到E3的原子能夠迅速通過(guò)無(wú)輻射躍遷轉(zhuǎn)移到 E2能級(jí)。E1上的 原子被向上抽運(yùn)和E2能級(jí)上原子數(shù)的積累便形成了這兩個(gè)能級(jí)間的集居數(shù)密度 反轉(zhuǎn)分布。四能級(jí)系統(tǒng)激光下能級(jí)E1是一個(gè)距基態(tài)E0有足夠大能級(jí)差的激發(fā)態(tài)。在 熱平衡情況下，該能級(jí)原子集居數(shù)密度很小，近似是一個(gè)空的能級(jí)，且具有很短 的能級(jí)壽命。通常躍遷到E1能級(jí)的原

6、于能迅速返回基態(tài)。具有大的無(wú)輻射躍遷幾率， 或者以大的速率將下能級(jí)抽空是四能級(jí)系統(tǒng)能否形成足夠大的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 并且維持這種反轉(zhuǎn)分布的關(guān)健之一。區(qū)別：下能級(jí)是一個(gè)空的能級(jí)，是四能級(jí)系統(tǒng)的泵浦性能優(yōu)于三能級(jí)系 統(tǒng)的原因所在，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)上能級(jí)與一個(gè)空能級(jí)之間的反轉(zhuǎn)分布畢竟要比與一個(gè)相 當(dāng)滿的基態(tài)能級(jí)之間的反轉(zhuǎn)分布來(lái)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：?jiǎn)文９饫w，多模漸變型光纖，多模階躍型光纖；（三八按照波長(zhǎng)劃分：傳輸波長(zhǎng)分為：紫外、可見(jiàn)、紅外（短波長(zhǎng)08-0.9微米,長(zhǎng)波長(zhǎng) 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(fù)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(wú)機(jī)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(dǎo)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(shù)值孔徑的概念的相關(guān)計(jì)算。對(duì)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(duì)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(diǎn)。吸收損耗：本征

8、吸收損耗，雜質(zhì)吸收損耗，原子缺陷損耗 散射損耗：瑞麗散射，波導(dǎo)散射，非線性效應(yīng)散射 彎曲損耗：宏彎損耗，微彎損耗。影響傳輸距離15、光纖無(wú)源器件、有源器件的定義及異同。光纖無(wú)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(kāi)關(guān)、光 衰減器、光隔離器件、光濾波器和波分復(fù)用/解復(fù)用器等光纖有源器件：區(qū)別：元件在實(shí)現(xiàn)其本身功能時(shí)是否發(fā)生光電能量的轉(zhuǎn)換。16、光纖耦合器相關(guān)特性參量計(jì)算。分光定冊(cè)分光癥黑聽(tīng)需曲氛附加損耗定義值餌“嚴(yán)出腸囂笄叭插人損耗定義耗值r恣嘰17、光調(diào)制的定義及分類定義：通過(guò)改變光波的振幅、強(qiáng)度、相位、頻率或偏振等參數(shù)，使傳播的光波攜 帶信息的過(guò)程。這種將信息加載于激光的過(guò)

9、程稱之為調(diào)制。（在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換）分類：（一）、調(diào)制位置：內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制），外調(diào)制（間接調(diào)制）；（二八 物理調(diào)制：電光調(diào)整，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制，其他（如：電吸收調(diào)制）（三）、調(diào)制形式：模擬調(diào)制，數(shù)字調(diào)制，脈沖調(diào)制；（四）、調(diào)制光波的參量：振幅調(diào)制，相位調(diào)制，偏振調(diào)制。18、內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別和異同點(diǎn)內(nèi)調(diào)制：是指加載調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的，即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變 調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過(guò)調(diào)制器時(shí)，就會(huì)使光波的某參量受到調(diào)制。19、電光調(diào)制種

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

11、改變。特點(diǎn)一一光子效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。光熱效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變， 而 是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升 ，溫度上升的結(jié) 果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點(diǎn)一一原則上對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性，響應(yīng)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(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電 探測(cè)器件。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變 為傳導(dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值很大，電路中的電流很??； 有光照時(shí)

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(diǎn)：24、PIN光電二極管的組成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。i區(qū)是一層接近本征的摻雜很低 的n區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中，零場(chǎng)區(qū) 薄，i區(qū)厚，耗盡層幾乎占據(jù)所有 pn結(jié)。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(jié) 電容減小特點(diǎn)：結(jié)電容明顯減小，頻率響 應(yīng)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。 雪崩光電二極管能承受高的反向偏壓，在 pn 結(jié)內(nèi)部形成高的電場(chǎng)區(qū)。 光生電子或

13、空穴經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)被加速， 從而獲得足夠的能量。 電子和空穴在高速運(yùn) 動(dòng)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(duì)， 即所謂 的碰撞電離。碰撞電離后產(chǎn)生的電子再次被電場(chǎng)加速， 碰撞出更多的電子空穴對(duì)， 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(diǎn)。 液晶顯示：液晶材料在電場(chǎng)的作用下對(duì)外界進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子 化氣體狀物質(zhì)

14、，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在 的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體物質(zhì)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(fù)電的電子構(gòu)成。 當(dāng)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(kāi)原子核，這個(gè)過(guò)程就叫做“電離” 。這時(shí)，物質(zhì)就 變成了由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的、一團(tuán)均勻的“漿糊” ，因此人 們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負(fù)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(chǔ)特性解釋工作原理：當(dāng)放電單元的電極加上比著火電壓 Vf 低的維持電壓 VS 時(shí)，單 元中氣體不會(huì)著火，如

15、在維持電壓間隙加上幅度高于 Vf 的書(shū)寫(xiě)電壓 Vwr ，單元 將放電發(fā)光， 放電形成的電子、 離子在電場(chǎng)作用下分別向該瞬時(shí)加有正電壓和負(fù) 電壓的電極移動(dòng)， 由于電極表面是介質(zhì)， 電子、離子不能直接進(jìn)入電極而在介質(zhì) 表面累積起來(lái)， 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(chǎng)減弱，致使放電單元在26卩s內(nèi)逐漸停止放電，因介質(zhì)電阻很高，壁電 荷會(huì)不衰減地保持下來(lái)， 當(dāng)反向的下一個(gè)維持電壓脈沖到來(lái)時(shí)， 上一次放電形成 的壁電壓與此時(shí)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(gè)相反極性的脈沖的到來(lái)單元一旦由書(shū)寫(xiě)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(gè)特性稱為 AC-PDP 單元的存儲(chǔ)特性。29、納米微粒的特點(diǎn)（ 1）表面效應(yīng)：尺寸小、表面大、活性高 ；（ 2）量子尺寸效應(yīng)3)小尺寸效應(yīng)4)宏觀量子隧道效應(yīng) 30、光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。 通常由兩種或者兩種 以上具有不