半导体光电子材料

异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。

异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。

禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制

半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。

光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光

光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收

在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。

发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。

发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。

电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示

发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型

超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。

发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。

有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。

纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。

F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。

按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器

同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器

AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。

有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构

异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。

在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。

分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等）

分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合

DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。

（2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。

DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围

垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高

通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。

QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高

由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点：

（1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。

（4）温度稳定性大为改善。

温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小

近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。

光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成

光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率

特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。

PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管

PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。

电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

电荷耦合器件的基本原理

（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。2）、电荷存储

（3）电荷转移（4）光信号的注入5）电荷检测（输出）CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相BCCD——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件

浮置栅CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。

对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。

CCD的电荷存储、转移的概念+ 半导体的光电性质——CCD摄像器件

光电池的频率特性不太好。原因有二：一是光电池的光敏面一般做的很大，导致结电容较大；二是光电池的内阻较低，而且会随输入光功率的大小变化。

侧向光电效应：当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。

第九章：光刻工艺大致包括涂胶（匀胶或甩胶），前烘，曝光，显影，坚膜，刻蚀，去胶等七步工序甩胶工序的目的是要在晶片表面形成适当厚度的均匀的光刻胶。烘干则使光刻胶中的水分蒸干。曝光则是让紫外光透过模板使光刻胶的化学性质发生改变，对于正胶，被紫外线照过的就能被显影液溶解，没有照过的就不被溶解；对于负胶，则相反，即被紫外线照过的不能被显影液溶解，没有照过的能被溶解。显影则是要将曝光过后的胶用显影液处理过，让该去掉的地方被溶解掉。固化工艺是要使光刻胶在较高的温度下变得坚固紧密，在后面的腐蚀工艺中能够相当地牢靠。

吉大《半导体光电子学》期末复习纲要

第一章： 基本概念与名词解释 1、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等； 2、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率； 3、原子、分子的微观结构，固体的能带； 4、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式； 5、简述辐射跃迁的三种过程：自发辐射、受激吸收、受激辐射； 6、谱线加宽的类型及定义：均匀加宽、非均匀加宽、碰撞加宽；

第二章： 基本概念与名词解释 １、一般概念：激发态能级寿命、亚稳态能级、粒子数反转、 负温度、激活介质、增益饱和； ２、三能级系统、四能级系统的粒子数反转的形成过程； ３、关于介质中的烧孔效应、气体激光器中的烧孔效应的论述。理论推导与证明 1、粒子数密度的差值（式2-1-17，2-1-22）； 2、均匀加宽与非均匀加宽的小信号增益系数（式2-2-14，2-2-15）； 3、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号反转粒子数密度、烧孔面积（式2-3-3，2-3-7）； 4、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号增益系数（式2-3-10，2-3-17）；

第三章： 基本概念与名词解释 １、激光的几个特性：包括时间相干性、空间相干性、相干时间、相干长度、相干面积、相干体积、光子简并度； ２、有关谐振腔的基本概念：谐振腔、稳定腔、不稳定腔、介稳腔； ３、激光振荡的几个现象和过程：纵模、横模、模的竞争、空间 烧孔、兰姆凹陷、频率牵引、高斯光束、激光器最佳透过率。 理论推导与证明 1、普通光源相干时间与相干面积（式3-1-5，3-1-12）； 2、激光产生的阈值条件（式3-3-11）； 3、粒子数密度的差值的阈值（式3-3-18）； 4、均匀加宽情况单模激光器的输出功率与最佳透过率（式3-6-9） 5、非均匀加宽情况单模激光器的输出功率（式3-6-18）。

半导体光电子学-试题

1 光电子器件按功能分为哪几类，每类大致包括哪些器件？ 2 （1）光的基本属性是__波粒二象性___，光的粒子性典型现象有_光的反射____、__折射____以及______等。光波动性的典型体现有______、______、______等。 （2）两束光相互干涉的条件______、______、_______，最典型的干涉装置有_____、______。两束光干涉相消的条件______。 3 激光器的基本结构包括哪些，其中激光产生的充分条件和必要条件分别是什么？（激光工作介质激励源谐振腔）p63p71 4 简述激光的特点以及激光产生的条件。 方向性单色性相干性亮度大 受激辐射：首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。 工作物质必须具有亚稳态能级 粒子数反转谐振腔增益大于损耗 5 试简述为什么二能级系统不能产生激光。 P69 6 试以一个三能级原子系统为例，说明激光产生的基本原理。 P70 7 光纤的基本结构是什么，光纤传输光的基本原理是什么？P126 射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。 光的波长必须在一定范围内才能实现传输，光纤中常用的波长有850纳米，1320纳米及1550纳米三个波段。 根据传输方式不同光纤分为多模光纤及单模光纤。多模光纤的直径为50/62.5μ

m，而单模光纤的直径为8.5μm 8 什么是光调制过程，其大体上可分为哪几类，激光外调制的种类包括哪些？P147 9 什么是内光电效应和外光电效应，内光电效应和外光电效应代表器件分别有哪些，是每种效应各举一例说明之。P200 外部光电效应：金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释放电子，形成光生电流（真空光电二极管，光电倍增管）内部光电效应：通过吸收入射光子产生自由电荷载流子，例如PN结光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管 10 光电探测技术的物理效应有哪些？ P198 11 试论述光敏电阻器件中，光照强度与光电导率变化的关系。 12 试论述液晶的特点，以及液晶显示器的工作原理。 P257利用液晶的电光效应来工作在两块透明电极基板间夹持液晶状 态，当液晶厚度小于数百微米时，界面附近的液晶分子发生取向并保持有序性，当电极基板上施加受控的电场方向后就产生一系列电光效应，液晶分子的规则取向随即相应改变。液晶分子的规则取向形态有平行取向、垂直取向、倾斜取向三种，液晶分子的取向改变，即发生了折射率的异向性，从而产生光散射效应、旋光效应，双折射效应等光学反应。这就是LCD图像电子显示器最基本的成像原理

半导体光电子学-考点

半导体光电子学 一、1.声子：晶格振动的能量量子，假想粒子，与晶格振动相联系，不能独立存在。 光子：传递电磁相互作用的规范粒子，无静止质量，具有能量和动量，能够独立存在。 2.量子阱：两种禁带宽度不同的但晶格匹配的单晶半导体薄膜以极薄的厚度交替生长，使得宽带隙材料中的电子和空穴进入两边窄带隙半导体材料的能带中，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为量子阱。 超晶格：当量子阱结构中单晶薄层的厚度可与德布罗意波长或波尔半径相比拟时，由于量子尺寸效应，量子阱之间会发生很强耦合效应。 3.光子晶体：是指具有光子带隙特性的周期性电介质结构的人造晶体。 纳米线：一种具有在横向上被限制在100纳米以下，纵向无限制的一维结构材料。 4.施主杂质：半导体中掺杂的杂质能够提供电子载流子的特性。 受主杂质：半导体中掺杂的杂质能提供空穴载流子的特性。 杂质能级：半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。 5.激子复合：所谓激子是指处于束缚态的电子和空穴，激子复合的能量将以光的形式 释放。 俄歇复合：电子和空穴复合后将能量传递给另一个电子或空穴的现象。有 CHCC（复合后的能量给导带的电子并使其激发到导带更高能态）和 CHHS（复合后的能量给价带的空穴并使其激发到自旋-轨道裂带上）过 程。 二、采用能带图和文字描述导体，半导体和绝缘体的异同。 导体：价带全满，导带部分填充 半导体：价带全满，导带全空，但是禁带宽度较窄，电子易于激发到导带中去。 绝缘体：价带全满，导带全空，禁带宽度较大 三、光波导结构的实例，并进一步说明光波导在光电器件中的工作原理。 光波导主要有平面波导和条形波导，而条形波导又有增益波导，折射率波导，分布反馈波导实例： 如折射率波导：有源区和两侧限制区的折射率不同，有源区两侧解理面构成反射镜，在有源区电子受激发射出的光子由于有源区和限制区折射率的不同构成全反射，将光场限制在有源区内，光子只能在两侧解理面来回反射，激发出更多的光子，并在输出方向上传播。 四、双异质结未加偏压和加偏压的能带图 双异质结在激光器中的作用： (1)pn结处于正向电压时，异质结势垒降低，n区电子能够越过势垒和隧穿势垒而注入窄

Ch8半导体光电子器件

8. Semiconductor lasers 8Semiconductor lasers yp A typical semiconductor laser is formed from a semiconductor diode and a pair of plane-parallel mirrors. In operation, the diode is forward biased In operation the diode is forward biased The populations are so large that f e+ f h> 1 for some photon energy (above the bandgap energy), thereby giving gain in the semiconductor material. If the gain per pass exceeds the mirror transmission loss and any other losses experienced by the beam (e.g, diffraction, absorption loss in nominally transparent parts of the structure, loss from scattering off material, or structure imperfections) the structure will lase.

Semiconductor laser structures There are two basic configurations edge-emitting edge emitting surface emitting.

光电子材料和器件复习资料

试卷题型分布100分选择题、填空题、名词解释、问答题、论述题 选择题内容不仅仅在这里面，包括书里、课堂讲授 第一章 一、单项选择题 可见光的波长范围为[C ] A 200—300nm B 300—380nm C 380—780nm D 780—1500nm 二、填空 1．异质p-n结指p端与n端为不同材料形成的p-n结 2．P型半导体是向本征半导体中参入低价元素形成的。P型半导体中的导电粒子为空穴。 3. 红外线，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物质，只要它的温度高于__ O K __，就会有红外线向周围空间辐射。三、名词解释： 非本征半导体，pn结，直接带隙，间接带隙，光致发光，电致发光，内量子效率，外量子效率，发光效率，垂直腔面发射激光器， l·pn结的空间电荷区具有什么样的特点?它是如何形成的? 2·简述直接带隙半导体及间接带隙半导体材料的发光过程。两者有何不同? 3.发光二极管的发光原理是什么? 4·理解半导体材料中实现光放大的粒子数反转条件。 5·半导体激光器产生激光需要满足哪些条件? 6·双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流? 7、垂直腔面发射激光器优点 8、什么是半导体材料的本征吸收？ 9、双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流？ 第二章 常用的激光晶体、激光玻璃、激光陶瓷有哪些？P28-32 常用的固体激光器的基质材料有哪些？ 光泵固体激光器的三个基本组成部分P41 固体激光器的主要优点 谐振腔腔长公式P47 阈值增益系数公式P58 常见的固体激光器P62 激活离子P27，基质材料P28 光学谐振腔的基本结构及其作用。P44 第六章 光子效应、光热效应、光电导效应、光生伏特效应光电发射效应 光热效应有哪些？光子效应有哪些？常见的光电二极管。硅太阳能电池类型 光热效应的特点有哪些？ 光电二极管的原理及其主要的物理过程。 光电池从材料和结构上分为4类，各有什么特点？

半导体光电效应及其应用

半导体光电效应及其应用 量子力学无疑是20世纪最伟大的科学成就之一，它的诞生是人类对自然界，尤其对微观世界的认识有了质的飞跃，对许多造福人类的高新技术的发展起了奠基、催生和巨大的推动作用。 自20世纪中期开始，电子工业取得了长足的进步，目前已成为世界上最大的产业，而其基础为半导体材料。为了适应电子工业的巨大需求，从第一代半导体材料：硅、锗（1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质硅。）发展到第二代半导体材料：Ⅲ——Ⅴ族化合物，再到现在的第三代半导体材料：宽带隙半导体。半导体领域取得了突飞猛进的发展。 一、光电效应 光照射到某些物质上，引起物质的电性 质发生变化，也就是光能量转换成电能。这 类光致电变的现象被人们统称为光电效应 （Photoelectric effect）。这一现象是 1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论 时偶然发现的。1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不溢出物体表面，而是仍留在内部，称为内光电效应。内、外光电效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用，根据这些效应可制成不同的光电转换器件（光敏器件）。 通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律： 1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长

Ch6半导体光电子器件

6Semiconductor Detectors 6. Semiconductor Detectors A large variety of semiconductor materials, structures and devices are used as photodetectors in optical receivers. The most important for communications are: pn p i n and Schottk Barrier Photodiodes ?pn, p-i-n and Schottky Barrier Photodiodes ?Avalanche Photodiodes ?Metal-Semiconductor-Metal(MSM)Photodiodes Metal Semiconductor Metal (MSM) Photodiodes ?Photoconductors Equally important optical devices, but structurally completely q y p p,y p y different and not used for optical communications include: ?Charge-Coupled Devices (CCDs) ?CMOS Imagers ?Photocathodes ?Solar Cells Solar Cells

Optical Absorption Optical Absorption

Optical Absorption in Semiconductors p p g g The photon flux passing through an absorbing medium is Since the carrier collection regions are ≤1 μm, the absorption coefficient needs to b101hi hi h be ~104cm-1to achieve high efficiency, which only occurs for direct bandgap materials near di t b d t i l the bandgap. Basically want identical thermal and photon identical thermal and photon energies for generation.

半导体光电子学期末复习纲要(精)

《半导体光电子学》期末复习纲要 一、基本概念与名词解释： 第一章： １、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等； ２、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率； ３、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式； ４、简述辐射跃迁的三种过程：自发辐射、受激吸收、受激辐射； ５、谱线加宽的类型及定义：均匀加宽、非均匀加宽、碰撞加宽。 第二章： １、一般概念：激发态能级寿命、亚稳态能级、粒子数反转、负温度、激活介质、增益饱和；２、三能级系统、四能级系统的粒子数反转的形成过程； ３、关于介质中的烧孔效应、气体激光器中的烧孔效应的论述。 第三章： １、激光的几个特性：包括时间相干性、空间相干性、相干时间、相干长度、相干体积、光子简并度； ２、有关谐振腔的基本概念：谐振腔、稳定腔、不稳定腔、介稳腔； ３、激光振荡的几个现象和过程：模的竞争、空间烧孔、兰姆凹陷、频率牵引、高斯光束、激光器最佳透过率。 第四章： １、光波导的几个基本概念：平板波导、矩形波导、光纤、导模、辐射模、阶跃型光纤、渐变型光纤、子午线、子午面、斜光线、吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗、材料色散、波导色散、模间色散。 第五章: １、有关光吸收的几个基本概念：本征吸收、晶格振动吸收、自由载流子吸收、激子吸收、杂质吸收； ２、光探测的一些基本效应：光电效应、光热效应、外光电效应、光电导效应、光电导驰豫、逸出功、电子亲和势、光伏效应、热释电效应、测辐射热计效应、温差电效应、帕尔帖效应、塞贝克效应、汤姆逊效应。 二、理论推导与证明： 第二章： 1、粒子数密度的差值（式2-1-17，2-1-22）； 2、均匀加宽与非均匀加宽的小信号增益系数（式2-2-14，2-2-15）； 3、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号反转粒子数密度、烧孔面积（式2-3-3，2-3-7）； 4、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号增益系数（式2-3-10，2-3-17）；

半导体光电子材料

异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。 异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。 禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制 半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。 光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光 光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收 在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。 发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。 发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。 电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示 发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型 超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。 发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。 有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。 纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。 F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。 按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器 同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器 AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。 有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构 异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。 分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等） 分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合 DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围 垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高 通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。 QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高 由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点： （1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。 （4）温度稳定性大为改善。 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小 近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。 光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成 光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率 特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。 PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管 PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。

半导体光电子器件制作

《半导体光电子器件制作技术》 课程编号：****** 课程名称：半导体光电子器件制作技术 学分：1.5 学时:24 (其中实验学时：0) 先修课程：半导体物理 一、目的与任务 本课程是一门专业教育选修课，适合于光信息科学技术、电子科学与技术、测控技术与仪器等专业。本课程的目的是为光电信息工程，电子科学与技术，测控技术与仪器等专业的学生进入半导体制造和研究领域打下坚实的理论和实践基础。 本课程的任务是通过半导体光电子芯片、器件及系统制造的工艺方法、工艺原理以及半导体制造新技术及发展趋势的学习，使学生掌握半导体光电子器件与系统的通用制备方法和过程以及相关基础理论知识。 二、教学内容及学时分配 第一章绪论(2学时) 1.光电子材料 2.光电子器件 3.工艺技术概述 第二章晶体材料生长(3学时) 1.单晶硅的生长及氧化技术 2.砷化镓晶体的生长技术

3.氮化稼基晶体的生长技术 第三章薄膜沉积技术(8学时) 1.薄膜技术概述 2.蒸发技术 3.溅射技术 4.外延生长技术 5.CVD技术 6.典型介质及金属制备技术 第四章光刻和刻蚀(2学时) 1.光刻工艺原理 2.光学光刻工艺介绍 3.新一代光刻方法 4.湿法刻蚀 5.干法刻蚀 第五章掺杂技术(2学时) 1.扩散工艺原理 2.基本扩散工艺 3.离子注入原理 4.注入相关工艺 第六章典型光电子器件制作工艺(7学时) 1.CMOS工艺流程及制作步骤(2学时) 2.光电探测器的结构和制作(1学时) 3.发光二极管的结构和制作(1学时)

4.太阳能电池的结构与制作(1学时) 5.电致发光显示的结构和制作(2学时) 三、考核与成绩评定 考核：统一命题，开卷 成绩评定：考试占80%，平时作业及日常考核等占20%，按百分制给出最终成绩。 四、大纲说明 1. 本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。 2. 在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。 3. 本大纲适合光电类相关专业。 五、教材、参考书： 教材： [1](美)施敏, 梅凯瑞著，《半导体制造工艺基础》，合肥，安徽大学出版社，2007 参考书： [1](美)Michael Quirk, Julian Serda著，《半导体制造技术》，北京，电子工业出版社2004 [2]夏海良等编，《半导体器件制造工艺》，上海，上海科学技术出版社1986

光电子学作业

光电子学作业 第一章 1．以一个三能级系统为例，说明激光器的基本构成和产生激光的基本原理。 2．分析四能级与三能级工作物质的能级结构特征，并说明四能级结构工作物质在产生激光中的优势。 3．什么是增益饱和现象，均匀加宽和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？ 4．多普勒加宽的物理机制是什么？ 5．工作物质实现能态集居数分布反转的条件是什么？ 6．试画出TEM 12，TEM 03 模的光强分布。 7.波长为入的高斯光束入射到位于z= l处的透镜上，为了使出射光束的束腰刚好落在样品表面上，透镜的焦距f应为多少？W1W0I I 8 .稳定腔的两块反射镜，曲率半径分别为R 1 = 40cm, R 2= 100cm，求腔长取值范围。 9. 某单横模He—Ne激光器，采用平凹腔，腔长L= 0.3m，凹面R= 1m, 平面镜输出，求输出镜面的光斑尺寸及光束的发散角。一束光通过长度为1m的均匀激活工作物质。如果出射光强是入射光强的2倍,求该物质的增益系数 G。 10. 设氦氖激光器的0.6328 谱线在增益曲线的G( v

0)/2处有一烧孔，增益曲线的半宽度为150MHz。计算与烧孔相对应的粒子速率有多大？ 11. 叙述激光器的的模式、纵模、横膜的定义及形成机理 第二章 1．均匀加宽和非均匀加宽介质对激光器所能形成的激光振荡模式有何影响。 2．激光选模技术分几类？ 3．常用的调Q 方法有几种，分别简述之。 4．分别简述几种常见的激光锁模的实现方法。 5. He—Ne激光器反射镜间距为0.2m,求最靠近632.8nm的纵模阶数，纵模频率间隔。如增益曲线宽度为1.5 x 109Hz则可能引起的纵模总数为多少？ 6. 在红宝石调Q激光器中，有可能将几乎全部Cr3+离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲，设红宝石棒直径1cm长度 7.5cmCr3+离子浓度为 2x 1013/cm31脉冲宽度为10ns求输出激光的最大能量和脉冲功率。 第三章 1. 激光器按工作物质划分为几类,一类各举一个典型激光器,并给出典型波长转换效率及典型优点。 2. 为什么双异质结可以降低器件的阈值功率密度 3. 如何实现半导体激光器的单纵模振荡 4. 简述半导体激光器的主要特点及其如何产生激光的原理 第五章 思考题： 1. 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强度调制，为什么？

光电子材料与器件

光电子材料器件在通信中的应用 石恒志2016022413 摘要：光纤通信技术发展的阶段性飞跃总是伴随新型光电材料和功能器件的突破。文章介绍了光纤、激光器及光放大器等光电子器件在光纤通信的产生、发展中的关键作用,分析了现代光纤几种典型的光电子器件的基本原理、工作特性以及发展现状和趋势，并在回顾传统集成光电子器件发展的同时，展望了以新一代 微纳结构光电子器件为基础的光子集成技术的发展趋势。 关键词：光纤通信；光电子器件；趋势 1引言 没有光纤作为实用的传输介质,就没有光通信转向光纤通信的发展阶段;没有激光器、光纤和相关的光电子器件及技术的更新换代,就没有宽带宽、大容量、长距离光纤通信系统的产生和发展;EDFA带来了光纤通信的新面貌,解决了多通道的光中继放大,解决了光孤子的能量损耗等问题,从而支撑着更大容量、更高速率、更长距离的光纤通信[1]。因此,光通信的产生、发展离不开光电子器件,有了光电子、微电子技术和器件的创新,才能有光纤通信的创新发展。 光纤通信系统主要是由光发送、光传输和光接收三部分组成(图1)。光发送器中有光源、驱动器和调制器，它的功能是将要传输的语音、视频、数据等信号通过电端机加到光源(或调制器 )上产生调制的光信号，并将其耦合到光纤中去；光传输部分主要由光纤(光缆 )和中继器组成，在短距离通信系统中，一般不需要中继器；由光纤传送来的光波信号入射到光接收部分，那里的光检测器将光信号接收、解调成电信号，然后进行电放大处理，还原成原来的信息。通过适当的接口设备，这样一个光传输单元可以和现有的数字或模拟通信系统、有线或无线通信系统互连。 图1 光纤通信系统示意图 我们看到，一个完整的光纤通信系统除了它的传输主体---光纤---之外，还必须有各种光学元件和光电子器件的支持。正是这些功能与技术不同的元器件的研制成功使得光纤通信系统发展到了今天的形态。光纤通信系统中的元器件大体可分为无源和有源两大类，光耦合器、光滤波器、光开关、光衰减器、光环形器和光隔离器等属于无源元器件，而光源、放大器、光检测器等属于有源器件[2, 3]。有源器件的工作原理都是

半导体光电子学复习资料

半导体光电子学复习资料

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半导体光电子学 一．名词解释。 1.激光器阈值电流：在电流值很小时，激光器输出功率基本没有，并且增加电流， 仍然没有输出；当电流增大到某一个值A是，输出开始出现，并且随着电流增大，功率近似线性增大；这个A就称为阈值电流。 2.半导体类型：P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。 N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。 3.带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。 (?)4.电子跃迁形式： 受激吸收：当适当能量的光子与半导体互作用，并能把能量传递给价带中的电子，使之跃迁到导带，从而在半导体中出现电子-空穴对。 自发发射：在热平衡下，如果在半导体的导带与价带中分别有一定数量的电子与空穴，导带中的电子以一定的机率与价带中的空穴复合并以光子形式放出复合所产生的能量。 受激发射：若导带电子与价带空穴复合过程不是自发的，而是在适当能量的激励下进行的，则复合产生的光子就与激发该过程的光子有完全相同的特性。 5.量子阱：由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。 6. 异质结：两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。 二．简答题。 1.辐射的方式，受激吸收，自发发射，受激发射的定义？及相应的器件？ 答：受激吸收：当适当能量的光子与半导体互作用，并能把能量传递给价带中的电子，使之跃迁到导带，从而在半导体中出现电子-空穴对。 器件：光电导，光探测器。 自发发射：在热平衡下，如果在半导体的导带与价带中分别有一定数量的电子与空穴，导带中的电子以一定的机率与价带中的空穴复合并以光子形式放出复合所产生的能量。器件：半导体发光二极管。 受激发射：若导带电子与价带空穴复合过程不是自发的，而是在适当能量的激励下进行的，则复合产生的光子就与激发该过程的光子有完全相同的特性。 器件：半导体激光器。半导体光放 2.简述激光器二极管实现离子数反转的途径。 答：为了获得粒子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近，空穴和电子复合放出光子，也就是说未复合的空穴-电子对，为高能态离子，外加电压，PN结附近存在大量未复合的高能态离子，代表已粒子数反转。 3.半导体中电子扩散和漂移的区别。 答：在P区多数载流子是空穴，同时有少数载流子（电子）存在。N区情形相反。 在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。 半导体加上电场，作为载流子的正空穴和自由电子就会受到电场的作用力，于是空穴就会顺着电场的方向移动，自由电子则朝电场的反向移动，从而出现电流,称为漂移电

半导体光电子学论文-中文翻译

C 电声散射 电子-声子的散射决定内在载流子寿命。我们将定义它为超晶格。量子将是这种情形：在无限大的屏蔽浓度中捕获到有限的收获。我们写电子态与声子极化向量的超晶格结构，是对相应的重要情况和偏振向量而言。由此产生的电子-声子耦合也可以归入相应的大多数的电声子耦合常数中。详细讨论散装电声子耦合，可以在[21]找到 。 C1 形变潜在的机制 在刚性离子模型，电子-声子相互作用，由于形变的电势所造成的晶格振动在[22] )(?1)(ααααξR S r V e Q NM H j S iq qj qj S ph el --??-=?-∑∑ (1) 这儿S 是指超晶格个体单元（SUCs ）,N 是指超晶格个体单元的采样 总数， α是指在一个超晶格个体单元中的不同离子，αM 和αR 表示α离子的数量和位置，) (?j ξ（αR ）表示偏振化向量j 型声子模式αR 的位置，和αV 描述前在相互影响的电子与离子α。qj Q 则是正常模式，协调的方式j ，其中以第二量化形式， )(2qj qj qj qj a a h Q +=+ω qj ω是指频率的模式j 。 我们扩大了超晶格的电子态（波矢k ）在布洛赫情形下)(,r k z V φ是个例子，V 表示和大部分相关。

)(),()(,,r g F r s z g k s s k k +∑=ψμμφμ 这儿1k 定义为在大多数情况下保持不变。这里s g 指的是Z 组成的超晶格倒数矢量。矩阵元的ph el H -之间的两个电子态与波向量k 和'k 是由 >='<-k H k ph el || ),(),(),(2)(,,n j q k s vs q k nj cell qj g v f s F s F NM h i μμωμ''-∑∑'''* )?()(,,?,z g q D n v n s s z g q k k n +'-'±-'μμδδ (2) 这儿 )()()()(,,,3)(,r r U r r d q D k q v k v '''?=?μμμμφφ (3) 和 )()()(,,,,ααααα αR S r V P e M M r U q v R iq s cell n v --??=?∑ 这儿α,,q V P 指的是α（阳离子或阴离子）的组成部分，偏振波矢量q 的大部分模式v 和cell M 总质量的绝大多数晶胞都在相应的大部分材料中。当中的+(-)符号表示上述方程的声子吸收（释放）过程。注意，在EQN (3)中的Dv,v'(q)仅仅是对于大多数材料的电声子耦合常数而言。为光学声子中心附近区域D(q)的q 近似为独立的。而对于声学模式，D(q)是成正比的q ，与相称常数被称为形变机制。

半导体光电子学作业

半导体光电子学作业 1.半导体光电子学定义。 2.半导体材料的分类。按材料、按结构、按功能分类。 3.晶体结构。列举几种晶格结构、晶格结构的测量方法。 4.物质波。 5.描述一维有限深势阱中的粒子的特性。 6.描述一维无限深势阱中的粒子的特性。 7.隧道效应。 8.晶体中产生电流的条件。 9.导带、价带定义。 10.画出硅、锗、砷化镓的能带图，说明其能带特点。 11.说明化合物半导体中的有几种点缺陷。 12.激子、等电子杂质定义。 13.简述各种因素对禁带宽度的影响。 14.写出费米—迪拉克分布条件及函数。 15.费米能级的特点、与掺杂浓度的关系。 16.迁移率。 17.晶格振动可以用什么来描述？对于某一三维晶格，具有N个原胞，每个原胞 有n个原子，那么有几支格波？ 18.晶格振动能量的特点。 19.载流子散射的几种机制、特点。 20.半导体材料的电导率与那些因素有关？

21.画出半导体材料的霍尔效应的示意图。 22.画出半导体材料的表面光电压、光磁电效应的示意图。 23.耿氏效应。 24.半导体温差发电器利用的是什么效应？特点是什么？ 25.半导体制冷、制热器件利用的什么原理？ 26.说明磁光效应、电光效应。列举几种电光现象。 27.分别写出空气与透明材料与不透明材料构成界面的反射率、透射率。 28.半导体中光吸收的种类。 29.什么是本征吸收，本征吸收的特点。 30.比较直接跃迁与间接跃迁的不同。 31.激子吸收的谱线与本征吸收谱线的各自特点。那些材料在室温下能观测到激 子吸收？ 32.杂质吸收的种类及各自的特点。 33.以GaAs为例说明有几种子带之间的跃迁。 34.自由载流子吸收的特点。 35.晶格振动吸收的特点。 36.光吸收的逆过程是什么？描述一下光吸收、发光。 37.简述各种发光现象及其起因。 38.描述发光过程都有那些参量？ 39.简述半导体中的各个发光过程。 40.吸收谱与发射谱之间的关系如何？分析产生差异的主要原因。

半导体光电子学考试知识点(电子科技大学)

1，直接带隙材料和间接带隙材料（直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。） 2，直接跃迁和间接跃迁 3，什么是散射，原因 4，光学的两个特殊角，全反射角和布鲁斯特角 光由光密介质进入光疏介质时,当入射角θ增加到某种程度，会发生全反射。折射角为90度所对应的入射角为临界角。自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θb表示。此规律称为布儒斯特定律。光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。 5，在迪拜长度后面那个，具体得翻书才能知道，好像是折射率的证明（p77） 6，关于散射的应用题，给一个波长函数，有两个参数待定，然后给两组数据，求出两个参数，然后再给一个数据，求解。不难，需要求导 7，一个关于光吸收能量转化的应用题，给出一堆参数，根据能量守恒，需要知道一些常量，比如h，e等 8，速率方程，教材最后一节内容，知道怎么列出的 9，可见光范围380nm—760nm 10，光子频率能量范围 本征吸收：本征吸收是指在价带和导带之间电子的跃迁产生与自由原子的线吸收谱相当的晶体吸收谱，它决定着半导体的光学性质.本征吸收最明显的特点是具有基本的吸收边（吸收系数陡峭增大的波长）这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。 辐射复合：根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合（Radiative Recombination）。辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式。此外辐射复合也可以通过复合中心进行。在平衡态，载流子的产生率总与复合率相等。辐射复合（Radiative Recombination）是等离子体中电子与离子碰撞的主要复合过程之一，它是光电离的逆过程，对等离子中电离平衡的建立和维持以及等离子体的辐射输运都起着重要作用。