光电子技术复习提纲(含标准答案)要点.pdf
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1、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
2、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10 14 Hz 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
3、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
4、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
5、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。 op L ph P J R e h R h P e J ph op L Q 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
6、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)
7、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1.6 eV 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
8、。 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, %100%100 max in mm in P VI P P m I m V n p trp ph t G 1 1 使 i 区成为完全耗尽区,其产
9、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?
10、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
11、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
12、 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。
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