1、第 1 章 緒論1. 半導體光電器件是利用什么效應制作的器件？答：利用半導體光電效應制成的器件。2. 半導體光電器件是哪兩種粒子相互作用的器件？答：是一種利用光子與電子相互作用所具有的特性來實現某種功能的半導體器件。3. 半導體發光器件主要包括哪兩種？答： （ 1 ）發光二極管； （ 2）半導體激光器。4. 光電器件主要有利用哪些效應制作的器件？答：光電器件主要有利用半導體光敏特性工作的光電導器件，利用半導體光伏打效應工作的光電池和半導體發光器件等。5. 什么是半導體發光器件？答：利用半導體 PN 結正向通過電時載流子注入復合發光的器件稱為半導體發光器件。6. 光電探測器件是如何轉換信號的器件

2、？答：通過電子過程探測光信號的器件，即將射到它表面上的光信號轉換為電信號。7. 光電檢測器工作在反向偏置狀態。8. 光電池是利用什么效應制作的？ 答：光伏打效應。9. 光纖通信的兩個重要窗口是哪些？答： 1.55um 和 1.3um 。第2章1 . 光信號的頻率在哪個頻段？需要用什么器件檢測？答：光信號的頻率在1014 Hz 以上，常用的電子器件無法對這一頻率段產生良好的響應，必須使用光電子器件。2 . 常用的光電檢測器： PIN 、 APD3 . 光電檢測器的工作過程？答：光電檢測器件的工作過程：（ 1 ）光吸收（ 2）電子 -空穴對產生（3 ）載流子擴散和漂移（4）檢測4 . 光信號（光束

3、）入射到半導體材料后，如何產生電子空穴對？答：光信號（光束）入射到半導體材料后，首先發生的過程就是半導體材料對光子的吸收，吸收光子以后才能產生價帶電子的躍遷，從而產生電子空穴對。5 . 半導體材料中的吸收過程可以分為哪兩大類？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 ）間接吸收7 .非本征吸收包括哪些？答：(1)激子吸收；(2)帶內吸收；(3)雜質吸收8 .本征吸收的必要條件？稱為截止頻率。本征吸收的必要條件：hu皂 hR = EEj稱為截止波長°E_ :0.2eV f 3.0eV &Xc : 6.0pmi 0.4國口=L12cV %

4、 = LlOm J =0.67eV =L85pm 工目"=L45cV =0.86用口9 .直接吸收中參與的粒子是什么？遵守哪兩種守恒？答：只有電子和光子的參與，沒有第3種粒子的參與。且入射光子的能力必須大于該材料的帶隙。整個過程中遵守動量守恒和能量守恒。10 .在間接吸收過程中，為保持吸收過程的動量守恒，必須有哪種量參與？答：在間接吸收過程中，為保持吸收過程的動量守恒，必須有聲子的參與。11 .吸收功率的計算。要有效吸收光信號.半導體材料必須達到一定的長度,下面進行討論;%(0)：入射功率4二%(工)=。3%(°卜 透射功率&二%(0) E = 1 - b叫&

5、;(0):吸收功率要達到育效吸收 => L>- a=>LT a對于常用半導體材料Si和Ge (間接帶隙材料)：as. -n L$戶工zlOjum。0»20i)ea=> L& / 1/叩(oofy - 1/nn)答:【例題2.1】加材料制作的檢測器用于光纖通信系統，系統用光源為GaA與光 源，光子能量L 4昵匕 光信號入射后.被光電檢測器吸收掉90%的能 量.計算光電檢測器的吸收層厚度.吸收系數為2.5乂10%球） = 1-90% = 10%（0）ne乩=10%二 L - In 0.1 =0.92/mi a12 .有效吸收對有源層厚度的要求。答：13 .

6、聲子的產生過程？答：14 .雜質吸收的特點。答：半導體材料中摻入雜質后，會在禁帶內形成雜質能級，雜質能級往往是淺能級，因此雜質吸收所對 應的吸收譜往往在紅外甚至是遠紅外區。雜質吸收的吸收系數一般很小，且須工作在極低溫度下。15 .長波長檢測器的設計方案有哪些？各自特點? 答：（1）本征檢測器：需要窄帶隙材料難以制作出高質量的器件（2非本征檢測器：工作條件苛刻（低溫）器件難以小型化（吸收層厚），單位為：A/W。16 .響應度描述的是什么？單位是？答：描述的是入射單位功率的光功率，能夠從檢測器中輸出多大的電流=Rph =p pop17 .器件效率的定義。答：單位時間內對外輸出的載流子個數與入射的光

7、子個數的比值，描述了檢測器將光信號轉變為電信 號的效率大小。18 .體材料器件和應變量子阱器件對晶格匹配度的不同要求。19 .實用的光電檢測器以什么結構為基礎？檢測器形成的光電流主要有哪兩類？各自特點如何?20 .根據PN結的電場分布特點，整個 PN結可以分為哪三個部分?21 . PN結的兩種工作模式是什么？PN結的兩種工作模式:-PN內部：N ->P光伏模式光電導模式7?她：分流電用器)。口二等效電臺22 .在不同條件下，太陽光譜的輻射強度有何不同？1350W/m2答：在不同條件下，太陽光譜的輻射強度不同：(1)在不考慮大氣吸收情況下，到達地面的太陽光功率密:952W/m2(2)考慮大

8、氣影響，晴朗天氣，到達地面的光功率密度：光功率密度最強的光波長為 0.48,處于可見光光譜內。23 .轉換效率是什么？轉換效率是指光電池對外輸出的最大功率與輸入的光功率的比值，它所表征的是光電池將光能量轉換 為電能量的效率高低。=Pmax 100%=1100%PnPn(其中I m和Vm分別是匹配電阻情況下(負載電阻與內阻相等)，對外輸出的電流和電壓，在此條件下對外輸出用率達苴最大值)24 .非晶硅的制作原理及特點？答：制作原理是：在較低溫度下(約600C)析出硅膜，在此過程中，充入大量的氫原子，破壞了硅晶體中原子排列的周期性，從而改變了硅材料的性質，其特性表現在：(1)有效帶隙增大，約 1.6

9、 eV左右(Si晶體為1.12eV);(2)類似于直接帶隙材料，吸收系數比Si大得多，厚度通常在 um左右；(3)可以使用幾乎所有的襯底材料，具有良好的使用靈活性。25 .光電導檢測器產生增益的原因是什么？答：產生增益的原因：每一個電子-空穴對并非只被電極收集一次，而是在復合之前器件的兩個電極之間循環多次，每被電極收集一次，都會對電信號的形成有貢獻，直到復合。26 .什么是增益帶寬積？答：增益帶寬積是器件性能的重要參數，是器件增益與帶寬之積，表征了器件的增益和帶寬性能。4h 1 十也）1工 t,口 p i tr r n /31. PIN管結構特點？VL P-I-N檢測器(PIN )PT層極薄.

10、對光的吸收可以忽略；113層位于i層的后面.對光的吸收亦可忽略;i層很厚.絕大多數光子都在這一層吸收.且在光的 透射方向上，截流子產生率并非常數。(1) PIN管工作在反向偏置電壓下，且偏置電壓不能太高，以 避免產生擊穿效應；(2)兩側重摻雜p+區和n+區很薄，中間i區要厚得多，i區是光 的主要吸收區。光電流主要是由i區產生的非平衡載流子定向運動所形成的；(3)與i相鄰的兩側區域都是重摻雜，加上外加反向偏置的作用，使 i 區成為完全耗盡區，其產生的電流為瞬態電流，響應速度很快，決定了 PIN 管具有較高的響應速度。32. PIN 管在器件設計階段需要考慮的因素有哪些？33. 接收器件的靈敏度的

11、定義？ 答：接收器件的靈敏度是指在滿足一定的誤碼率條件下，器件能夠檢測到的最小信號功率。34. PIN 與 APD 的性能特點？答： PIN 特點：無增益，但噪聲小， SNR 較高APD 特點：噪聲較大，但有較高增益，信號功率亦高， SNR 較高 兩種器件都具有較高的信噪比，性能優良，廣泛用于光纖通信系統35. APD 中下列結構的作用？（ 1）抗反膜；（ 2）保護環；（ 3）熱沉。36. PIN 和 APD 各自的光吸收區是哪個？37. 碰撞電離率的定義？答：定義為在單位距離上載流子碰撞電離出的電子-空穴對的數目。38. APD 的響應速度主要受到哪三種時間參數的影響？答： （ 1）電子穿越

12、光吸收區的渡越時間；（ 2）雪崩過程所需要的時間；（ 3）雪崩過程中產生的空穴穿越吸收區所需要的時間。第3章1 . LED 是通過自發輻射過程發光的器件，與通過受激輻射發光的半導體激光器相比，其優缺點是什么？答： LED 是通過自發輻射過程發光的器件，與通過受激輻射發光的半導體激光器相比，其不同之處在于：結構簡單；價格低廉；可靠性高。但其不足之處在于：響應速度低；輸出功率小；輸出頻譜寬。2 . LED器件內部的主要光電過程？在正向夕卜加偏置下，少數截流于注入P-N結(注入)U注入的少數載流于與半導體材料中的多數載流于堂合(或合)U較.光子輻射(發光)合3 .電子-空穴對的復合過程有哪兩種？答：

13、輻射復合：產生光子；非輻射復合：不產生光子，能量以其他形式散失。4 .間接帶隙材料內部的復合過程大多屬于什么過程？答：間接帶隙材料內部的復合過程大多屬于非輻射復合，例如俄歇過程。5 .輻射效率的定義。答：其定義為：在載流子復合過程中，輻射復合在總的復合過程中所占的比例。6 .在正向偏置條彳下，注入 PN結的電流由哪三部分構成？答：在正向偏置條件下，注入PN結的電流由三部分構成：(1)注入到P區的電子擴散電流 Jn；(2)注入到N區的空穴擴散電流 Jp；(3)中間耗盡層中由陷阱復合導致的電流JGR7 .什么是外量子效率？答：外量子效率表征的是器件的總的發光效率，也稱為表觀效率，即器件從外界來看的

14、總發光效率。8 .出光效率的定義及其影響因素是什么？答：(1)定義：指從發光面出射的光子數占發光區產生的總的光子數的比例。發光區產生的光子并非都能出射，這 是因為在半導體材料中存在多種導致光子損耗的因素：(2)發光區產生的光子需要穿過一定厚度的材料才能到達出射面，在此過程中材料會吸收光子，產生電子-空穴對；到達出射面的光子，由于界面的菲涅爾反射，有一部分光子無法出射，形成菲涅爾反射損耗；在出射界面處，若入射角大于臨界角，會發生全反射，因而只有有限角度范圍內的光子能夠出射。9 .提高出光效率的措施有哪些？答：(1)盡量減小吸收損耗；(2)降低菲涅爾損耗；(3)降低表面全反射損耗；10 .雙異質結

15、結構為何能提高注入效率？答：雙異質結結構可使注入的電子和空穴被兩側勢壘有效束縛在中間有源區，使有源區匯聚了較高LED 中,濃度的載流子，提高了注入效率。11 .為什么在同質結 LED中，應該使電子注入電流盡量大，空穴注入電流盡量小，而在異質結并不需要這樣做？答：12 .與普通的面發射 LED相比較，為什么邊輻射 LED與光纖之間的耦合效率更高?13 .簡述LED的P-I特性。答：(1)注入電流較小時，輸出光功率與注入電流是線性關系，輸出光功率隨注入電流的增大而線性增加；(2)注入電流越大，器件發熱越明顯，俄歇復合逐漸加劇；(3)當注入電流增大到一定程度，俄歇復合更加明顯，消耗了大量的載流子，輸

16、出光功率不再隨注入電 流增加而增大，即器件的輸出達到“飽和”狀態。14 . LED在低注入和高注入條件下譜寬的估算。LED線宣的估算(以能量表示)：八戶：=/Vj hhe he：hc（乙一ztj） he在低注入條件下kT 0,026 eV （室溫3Q0K）在高注入條件下n為我流子濃度.N._為導帶的有效帶邊密度.15 . LED 發光的溫度特性是什么？答： 溫度對 LED 的工作特性有重要影響，這種影響從兩個方面體現出來：（1）在較高溫度下，更多的載流子以漏電流的形式到達電極區，而不是相互復合產生光子；（2）溫度越高，俄歇復合越強，降低了器件的發光效率。16 . 簡述要提高LED 的輸出光功率

17、，器件設計器件設計時需要的因素。答： （ 1）注入載流子密度；（ 2） 器件橫截面積；（ 3）有源區厚度。17 . 影響 LED 壽命的因素有哪些？（即 LED 的失效有哪三類？）答： 影響 LED 壽命的因素主要包括：（ 1 ）早期失效；（ 2 ）反常失效；（ 3 ）漸變失效。第4章1. 激光器是利用受激輻射產生光子，其激勵方式 （ 能量注入方式）有哪些？答： （ 1）電流注入（利用PN 結結構的載流子注入） ；（ 2 ）電子束注入；（ 3 ）激光注入；（ 4 ）碰撞電離。2. 自發輻射特點。答： （ 1）自發輻射是隨機過程；（ 2 ）發出的光波是非相干光；（ 3 ）光子能量大體相等，約等于

18、材料帶隙；（ 4 ）相位與方向各不相同。3. 受激輻射特點：答： （ 1）發出的光是相干光；（ 2）光子相位、方向與引起輻射的光子一致。4. LD 產生激光出射的過程？答： （ 1）正向偏置下，首先由器件內部的有源區自發輻射產生光子，這些光子中的極少一部分會引起受激輻射，這些光子就是LD 受激輻射發射激光的源頭；（ 2） LD 工作在高電場條件，即外界激勵很強，載流子濃度高，有源區達到粒子數分布反轉；（ 3）光諧振腔的存在，使其中一部分光子因滿足諧振條件而迅速增強，逐漸在整個光波中占有絕對優勢，最終克服器件損耗，形成穩定的激光輸出。5. 什么是粒子數分布反轉？答：在無外界注入條件下，絕大多數電

19、子都位于低能級，粒子數分布反轉是指由于能量注入，使得高能級上的電子數反而比低能級電子數更多，這是普通激光器的粒子數分布反轉。對于半導體激光器，工作過程涉及到兩種載流子，其粒子數分布反轉是指在一定能量范圍內，導帶內的電子比價帶內的電子還要多。6. 常見光腔種類有哪三種？答：（1） F-P 腔（2）含周期光柵的分布反饋式光腔（ DFB和DBR）（3）含特殊反射器的表面發射腔6 . F-P腔的共振頻率的定義？縱模的計算及分布特點?答：光腔的共振頻率又稱為光腔的縱模。應的對共振頻率為:2nrL7 .光波限制因子的定義？體材料激光器與量子阱激光器的光波限制因子的區別。答：定義：其物理含義是指限制在有源區

20、中的光波在整個光腔內的所有光波中所占的比例。區別：光波限制因子是衡量有源區對光波限制作用的強弱的參數，其大小與激光器的結構有關，不 同的激光器其光波限制因子有很大差別。例如：體材料半導體?散光器,如 F-P腔LD ,光波限制因子接近于 100% ;量子阱半導體激光器，由于有源層很薄，對光波的限制能力弱，其光波限制因子大約只有1%左右。8 .光腔內部的主要損耗過程答：（1）限制層及電極區對光子吸收所帶來的損耗（如這些區域內的雜質等引起的光吸收）；（2）光子由腔體內逸出所導致的損耗 （部分光子其傳輸方向并不與出射面垂直，斜入射出腔體）;（3）載流子對光子的吸收造成的損耗；（4）出射面的光子出射損耗

21、（對內部光波而言，輸出的光波引起損耗）。9 .激光輸出的閾值條件的含義？答：要形成穩定的激光輸出，光波在腔體內部傳輸來回反射傳輸時，其強度至少要保持不減小，即光 波在兩個界面來回反射兩次并回到其出發點時，其強度應保持不變，這就是激光輸出的閾值條件。10 .溫度變化對激光器中心波長的影響，注入電流的變化對激光器增益譜的影響。 答：11 .橫模的定義及其影響因素？答：激光器內部的光場在橫向上的穩定的場分布。如果在平行于出射端面上放置一個成像面，則橫模表 現為在成像面上的光斑形狀。橫模主要受到光腔的橫截面形狀和橫向尺寸的影響。橫截面形狀影響 光斑形狀，橫向尺寸影響橫模的數目。（m,n12 .多模激光

22、器其輸出曲線上出現彎折的原因。答：13 溫度對閾值的影響體現在哪幾個方面？答： （ 1）溫度升高時，需要更高的注入載流子濃度，才能滿足粒子數分布反轉的需要，激光器的注入電流密度閾值亦升高；（ 2）溫度升高，漏電流增大，需要更高的注入電流才能滿足閾值條件；（ 3）溫度升高，俄歇效應更強烈，窄帶隙材料尤其如此，因而需要更高注入電流才能滿足閾值條件。14. 激光器可在哪兩方面進行改進？改進后的典型結構？答： （ 1）電子特性的改進，典型結構：量子阱、應變量子阱、量子點、量子點；（ 2）光子特性的改進，典型結構：DFB, DBR 光柵結構、 DBR 結構的表面反射、微腔結構 、能產生帶隙的周期性介質層

23、15. 不同的應變方式對LD 出射光波的偏振性的具體影響？答： 利用不同的應變方式，可以改變LD 出射光波的偏振性。利用壓縮應變效應制作的應變量子阱激光器，出射光波為 TE 偏振，而利用拉伸應變效應制作的 LD ，出射光波為 TM 偏振。16. GGC 光腔的局限性：答：脊形區對電流限制作用較弱，激光器閾值電流較大；橫向尺寸對光波限制作用較弱，容易導致多模輸出；線寬較大；輸出曲線易形成彎折。17. F-P 激光器在限制橫向尺寸方面采取的兩種結構是什么？答：對 F-P 腔的改進主要是限制其橫向尺寸，使其易獲得單模輸出。按照橫向尺寸限制方式的不同，分為兩類：（ 1 ） Gain guided cavities （GGC ：增益導引型光腔）（ 2 ） Index guide cavities （IGC ：折射率導引型光腔）18. DFB