光电子复习提纲汇总.docx

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光电子复习提纲汇总

《光电子学》复习讲义2014

第一部分：

光电物理基础

【1】基本概念

1）本征吸收：

半导体吸收一个能量大于禁带宽度Eg的光子，电子由价带跃迁到导带，这样的过程称为本征吸收。

2）激子吸收：

在半导体中受激电子与空穴构成的新系统可以看成一种“准粒子”，并称之为激子。

激子可以通过所含电子和空穴的复合而辐射光子和声子，其中能发射光子的激子复合过程对提高发光效率有很大的实用意义。

3）杂质吸收：

杂质吸收有三种情况，1：

从杂质中心的基态到激发态的激发可以引起线状吸收谱。

2：

电子从施主能级到导带或从价带到受主能级的吸收跃迁。

3：

从价带到施主能级或从被电子占据的受主能级到导带的吸收跃迁。

4）费米能级的概念：

P22

5）热平衡状态下本征和杂质半导体的费米能级图1-14P24

6）非平衡态载流子的产生、复合图1-15

7）直接复合：

自由电子直接由导带回价带与空穴复合

8）间接复合：

自由电子和空穴通过晶体中的杂质、缺陷在禁带中复合

9）非本征吸收：

包括杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格吸收

10）本征发光：

导带电子和价带空穴复合所产生的发光现象

11）激子发光：

激子在运动过程中，将能量从晶体的一处运输到另一处，电子空穴复合发光的过程称为激子发光。

12）杂质发光：

杂质发光有三种发光方式，1：

电子从导带到施主能级或从受主能级到价带的跃迁，主要是无辐射跃迁。

2:

电子从导带到受主能级或从施主能级到价带。

3：

施主受主对的辐射跃迁

13）内光电效应：

表现为光电导和光生伏特效应。

14）外光电效应：

即光电子发射效应（金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大可以使电子从材料表面逸出的现象）

15）金属逸出功：

电子从金属中逸出需要的最小能量

16）电子亲和势：

导带体上的电子向真空逸出时所需要的最小能量

17）光电发射第二定律：

光电发射体发射的光电子最大动能随入射光频率的增大而线性增加，与入射光强无关。

18）辐射度量:

与物理学对电磁辐射度的规定完全一致，适用于整个电磁波段

19）光度量：

以人的视觉特性为基础建立，只适用于可见光波段

20）偏振光及偏振度：

振动方向与传播方向不对称性叫做偏振，具有偏振性的光叫做偏振光。

光束中偏振部分的光强度和整个光强度之比值称为偏振度。

【2】基本原理

1）杂质吸收与本征吸收的光谱范围如何理解？

答：

（1）本征吸收区对应于价带电子吸收光子后跃迁至导带的强吸收区，它处于紫外可见光与近红外区。

（2）杂质吸收因固体材料及材料中杂质各类而异。

假设杂质具有浅能级（约0.01eV），这种杂质吸收仅在较低温下（使kT〈杂质电离能，k为玻尔兹曼常数〉，才能被观察到。

2）半导体掺杂的目的？

对半导体发光的限制作用？

答：

纯正的半导体是靠本征激发来产生载流子导电的，但是仅仅依靠本征激发产生的载流子数量很少，而且容易受到外界因素如温度等的影响。

掺入相应的三价或五价元素则可以在本征激发外产生其他的载流子，可以大幅度的改善本征半导体的导电性。

（1）为了使半导体的电导率发生大的变化；因为杂质的电离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大。

（2）杂质能级的位置有性质不同的两类：

“浅能级”和“深能级”，前者起着“陷阱”的作用，后者通常是复合能级。

室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度

载流子的产生与杂质能级复合中心的平衡

3）半导体本征发光中的直接跃迁与间接跃迁的定义与区别？

代表材料分别是？

答：

（1）直接跃迁：

仅涉及一个（或多个）光子的跃迁；间接跃迁涉及一个（或多个）光子，还包含声子的跃迁；

（2）直接跃迁以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主,代表材料GaAs;间接跃迁代表材料Si基发光材料.

4）自发发射、受激发射、受激吸收的关系？

如何提高半导体的发光效率？

答：

（1）爱因斯坦关系：

（2）吸收系数较高；直接带隙跃迁；优化杂质能级吸收与发射；根据器件设计自发辐射与受激辐射系数的比重。

5）金属、半导体光电子发射光电子发射的三个步骤？

答：

第一步：

体内电子吸收光子能量被激发跃迁到高能级

第二步：

被激发的电子向表面运动，运动过程中会与其它电子或晶格碰撞，失去部分能量。

第三步：

克服表面势垒的束缚逸出表面。

6）本征光电导产生的条件？

答：

（1）光子能量大于该半导体的禁带宽度；

（2）电子在导带中有足够的迁移率；

（3）由光的辐射产生的载流子数与材料中通常可得到的自由载流子相比，是可测量出来的。

【3】基本计算

1）金属、半导体光电子发射阈值的计算

2）马吕斯定律对偏振度的计算

3）单层减反膜厚的计算

4）朗伯定律计算

E=Icosα/R2

第二部分：

光电转换

【1】基本概念

1）光电导效应：

当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子的变化，导致材料电导率的变化的现象；P73

2）P型光电导，N型光电导

3）本征光电导，杂质光电导；器件及适用范围

4）常见光电导材料：

a、CdS和CdSe，低成本可见光光电导材料，光电导增益G=103-104，响应时间较长，工作波段在紫、蓝、绿短波区。

b、PbS，近红外灵敏光电导材料，光谱范围在1-3.4um，2um处最灵敏，响应时间约200us。

c、InSb，近红外灵敏光电导材料，响应峰波长约5um，热噪声较大。

d、碲镉汞（Hg1-xCdxTe），中红外灵敏光电导，峰值波长10um左右，通过调节Hg和Cd的相对比例可以改变禁带宽度，从而改变灵敏波长，通常需要制冷，热噪声大。

5）光电温度效应：

P74

6）蛇形电极及光电导增益原理：

起源于“电荷放大”效应，半导体中的杂质能级（位于禁带中）会捕获少数载流子，如N型（P型）光电导的空穴（电子）会被杂质能级捕获，使光电导带正电（负电），而吸引负极（正极）的电子（空穴）进入光电导，在电场作用下漂移到正极（负极），这就相当于增加了电子（空穴）的产生率。

（P78）

7）光伏效应：

当照射光激发出电子—空穴对时，电势垒的内建电场将把电子—空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，称为光生伏特效应。

8）PN结：

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。

9）突变PN结：

在冶金界面处杂质浓度突变的P-N结称为突变PN结。

10）缓变PN结：

从P区到N区掺杂浓度逐渐改变的PN结称为缓变PN结。

11）空间电荷区：

在PN结中由于自由电子的扩散运动和内建电场的漂移运动，使PN结的中间部位出现净正、负电荷的区域称为空间电荷区。

12）光电池的结构：

是在N硅片上扩散硼形成P层，并用电极引线把P和N层引出，形成正负电极。

为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成

保护膜。

13）短路电流：

当负载电阻为0时，流经负载的电流。

14）开路电压：

当负载电路开路时，光电池的输出电压。

15）填充因子：

光电池最大输出功率的值占以

为边长的矩形面积的百分比，是输出特性曲线“方形”程度的量度。

16）光伏IV曲线p95

17）二次电子发射的定义与过程：

具有足够动能的电子轰击某些材料时，表面将发射出新的电子，此现象称为二次电子发射。

P135

过程：

（1）.原初电子射入发射体，在体内发生能量损失，激发产生次级电子的过程。

（2）.激发的次级电子从激发地点向表面运动的过程。

（其中包括与“自由”电子，声子，离子等碰撞。

）

（3）.到达表面的次级电子克服表面势垒逸出的过程。

【2】基本原理

1）PN结内建电场的作用？

答：

P、N区由于浓度差，引起N区电子向P区扩散，同样P区空穴也向N区扩散，扩散的结果，在交界面两侧留下不能移动的正负离子，它们之间相互作用，生成一个电场，方向由N区指向P区，由于该电场存在于结合的半导体中，所以称为内建电场。

其作用是阻碍电子和空穴继续扩散，载流子在内建电场作用下做漂移运动，漂移运动与扩散运动方向相反，最后达到平衡状态。

2）光电池的结构、光电转换效率的影响因素？

改进方向？

答：

影响因素：

改进方向：

（1）通过结构改进和创新来提高转换效率：

叠层太阳能电池提高转换效率。

（2）开发新材料来提高转换效率：

聚合物多层修饰电极型太阳能电池；纳米晶太阳能电池。

（3）采用全新的构思来提高转换效率：

改进传统太阳能发电系统来提高转换效率；采用量子点超晶格型来提高转换效率。

3）2CU硅光二极管与2PU硅光二极管的结构特点，引入环的意义。

答：

P103

4）硅光二极管与PIN、APD二极管的比较？

答：

相同点：

工作原理相同，都是基于pn结工作的

不同点：

PIN:

用于光至电信号转换，通讯中常用，主要的有工作于850nm波段和1100nm-1650nm波段的,转化效率一般在0.85A/W左右，信噪比可以做到很高，这个过程中的噪声主要是热噪声；

APD:

和PIN相比，多了一个雪崩增益区，可以发大光生电流，从而提高转化效率，但是雪崩增益本身也会产生噪声。

5）光电倍增管的系统结构？

答：

（1）入射窗结构（光窗）：

入射光的通道，同时也是对光吸收较多的部分

6）光电倍增管倍增级的阴极灵敏度、阳极灵敏度测试电路？

P137

7）光电倍增管暗电流产生的原因与降低措施？

答：

暗电流产生的原因：

降低措施：

（1）在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。

（2）选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。

（3）在管子封口前应低温烘烤 多余的残余气体。

（4）降低工作电压场致发射暗电流也将下降；加工时要精细，电极边应做成弯卷状。

（5）在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10~20mm。

【3】基本计算

7）PN结平衡载流子计算？

8）光敏电阻光电特性计算？

某型号光敏电阻在100lx光照下阻值RA为2kΩ，在110lx光照下，γ值为0.9，求在110lx光照下的阻值RB

9）光电池发光效率计算？

10）PMT光电倍增管阳极灵敏度、阴极灵敏度的计算、最大入射光通量、供电电压的计算？

例题：

已知某光电倍增管的阳极灵敏度为100A/lm，阴极灵敏度2μA/lm，阳极输出电流应限制在100μA范围内，问最大允许的入射光通量为多少lm？

（作业）

第三部分：

电光转换

【1】基本概念

1）激光器的种类：

按激光工作物质主要可以分为：

固体激光器，气体激光器、液体激光器、半导体激光器等。

2）粒子数反转：

通过受激辐射使处于基态的原子大量激发到亚稳态E2上，使处于高能级E2上的原子数大大超过E1的原子数，这样的状态叫做粒子数的反转。

原子从低能态跃迁到高能态，必须吸收光子，这称为受激吸收，而处于高能级的原子会随机发射出光子而回到低能态，这称为自发辐射。

处于高能态的原子，在一个与发射光子能量相同的光子的作用下，辐射出与作用光子相同状态的光子而回到低能态，这种辐射称为受激辐射。

3）泵浦：

促使大量低能级上的粒子反转到高能级上的过程叫做泵浦

4）气体导电：

气体在特定的条件下呈现一定的导电性，并伴随着复杂的光，电，热，声等物理化学反应的过程。

5）弹性碰撞：

碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。

6）非弹性碰撞：

碰撞的粒子间既交换动能也交换内能，粒子间遵守能量和动量守恒定律。

7）带电粒子的产生：

原子或分子在吸收一定的能量后可以使其内部电子的能量状态发生变化，也就是处于激发态。

当吸收足够的能量后，原子可以失去一个电子，称为带正电的离子，这就是电离。

带点粒子的来源有源于气体内部（碰撞电离，热电离，光电离）和源于电极（正电子碰撞，光电子发射，热电子发射，强场发射）。

平均自由程：

对于气体分子：

相邻两次碰撞之间的平均距离，即称为分子的平均自由程。

8）非自持放电：

去掉外电离因素的作用后放电随即停止。

9）自持放电：

不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。

10）击穿电压：

当电压增加到一定值时，气体被击穿，由原来的绝缘体变为导体的电压值称为击穿电压。

【2】基本原理

1）半导体激光器工作原理？

答：

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

2）LD与LED的结构区别？

答：

（1）LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光而LD是受激辐射复合发光

（2）结构上的差别：

LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。

（3）性能上的差别：

LED没有阈值特性,光谱密度比LD高几个数量级,LED输出光功率小,发散角大。

3）粒子碰撞与质量的关系？

答：

（1）弹性碰撞：

质量相近的粒子发生弹性碰撞时，碰撞粒子几乎把它的全部动能转变为被碰撞粒子的动能。

而质量小的粒子与质量大得多的粒子发生弹性碰撞时，质量小的粒子几乎不损失能量。

（2）非弹性碰撞：

质量相近的粒子发生非弹性碰撞时，碰撞粒子至多将其动能的一半转化为被碰撞粒子内能的变化。

而质量小的粒子与质量大得多的粒子发生非弹性碰撞时，质量小的粒子几乎可以将其全部动能转化成质量大的粒子内能的变化。

4）汤生放电的过程？

汤生理论局限？

答：

（1）汤生放电过程：

一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。

在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流。

在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电，由此推得放电自持的条件是：

，

其中γ是正离子轰击阴极的二次电子射系数，α是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。

（2）汤生理论局限：

汤生放电理论从物理概念上清晰地解释了低、中气压下气体导电中的许多现象，并从理论上建立了气体击穿的判据式和巴邢定律。

但实验表明高气压放电时有些现象难以用汤生放电理论加以解释。

比如：

a、气体放电的形成需要一个时间过程，就是当两电极间加上击穿电压的瞬间，到放电从非自持放电转变到自持放电的时间，这段时间间隔称为放电形成时间，或称放电时滞，按照汤生放电理论估算放电时滞约为几十微秒数量级，而实验测得高气压击穿时滞远小于一微秒，通常只有

。

b、按汤生理论，击穿电压与阴极上的γ过程密切有关。

但实验表明，在高气压击穿过程中阴极材料的性质对击穿几乎没有影响。

c、高气压击穿后形成的火花放电中会出现曲折分叉的断续细光束，这也是汤生理论无法解释的。

5）He-Ne激光器工作原理？

工作气体参数优化的原理？

答：

【3】基本计算

1）电子与原子、原子与原子之间发生的碰撞种类及能量交换？

答：

弹性碰撞和非弹性碰撞

第四部分：

光的调制

【1】基本概念

1）光调制的基本原理：

连续波调制脉冲调制编码调制

2）一次调制：

将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制。

3）二次调制：

人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制。

4）电光效应：

指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关。

1）电光效应系统构成及1/4波片的作用

1.电光调制系统：

2.1/4波片的作用：

图8-16电光晶体透射率与电压的关系

在调制器的光路上插入一个1/4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45°角，从而使Ex和Ey两个分量之间产生

的固定相位差。

【3】基本计算

1）调频FM输出信号、调制度、带宽的计算（p238）

1.调频AM输出信号

2.调制度：

--频率调制指数（mf>1宽带调频；mf<<1窄带调频）。

3.带宽：

调频波带宽

B=2（Δf+F）=2（mf+1）F

2）电光效应半波电压的计算