光电材料与器件 期末复习题 - 图文

光电材料与器件复习题

第一章

1.光电探测器：光电导效应、光伏效应———内光电效应 发光二极管、半导体激光器：载流子的注入和复合发光效应 太阳能电池：光生伏特效应

外光电效应 :在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象,光电管、光电倍增管。 2.

(1)原子核外电子排布 能量最低原理

核外电子在原子轨道上的排布，应使整个原子的能量处于最低状态。即填充电子时，是按照近似能级图中各能级的顺序由低到高填充的。

泡利不相容原理

在同一原子中，不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中三个量子数相同，第四个一定不同，即同一轨道最多能容纳2个自旋方向相反的电子。

洪特规则

在同一亚层的各个轨道上，电子的排布尽可能分占不同的轨道，并且自旋相同。 （2）电子在能带中的排布 排布原则:

能量最低原理——按由低到高的顺序填充各能级。

泡利不相容原理——同一能级最多容纳2个自旋方向相反的电子。

3.费米能级

EF是反映电子在各个能级中分布情况的参数。对于具体的电子体系，在一定温度下，只要确定了EF，电子在能级中的分布情况也就完全确定了。

对于一定的半导体，费米能级随温度以及杂质的种类和数量而变化。 费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。

在绝对零度（T=0）时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。

4.（注意）

（1）非平衡载流子的注入

光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。（光-电器件，光-光器件） 电注入： 给PN结加正向偏压，PN结在接触 面附近产生非平衡载流子。

当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载流子。 电-光器件） （2）非平衡载流子的复合

非平衡载流子的复合：非平衡载流子是在外界作用下产生的，当外界作用撤除以后，由于半导体的内部作用，导带中的非平衡电子将落入到价带的空状态中，使电子和空穴成对地消失。

非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种弛豫过程，属于统计性的过程。

5.量子限制效应 (QCE，Quantum Confinement Effect)，指固体材料的尺度缩小到一定值时，即在某一维度上可与电子的德布洛意波长或电子平均自由程相比拟或更小时，电子的运动受到局限，电子态呈量子化分布，连续的能带分解为分立的能级 。

第二章

1.pn结定义

所谓pn结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区，那么p型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为pn结。

2.非平衡pn结

定 义：施加偏压的pn结。此时pn结处于非平衡状态，称非平衡pn结。 正向偏置：偏置电压为p区电位高于n区电位 反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位 特 征--与平衡pn结相比： 空间电荷区内电场发生变化---

破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；

空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象--形成电流：

正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流---称为正向电流。

反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流---称为反向电流。

3.载流子分布

正偏： 空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移；

载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值； 边界处非平衡少数载流子向体内扩散；

边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。 反偏：

空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动； 载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值； 中性区平衡少子向空间电荷区内扩散； 使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值； 载流子低于平衡值就要有产生；

扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏 载流子达稳定分布。

4.pn结击穿

定义：反向电压增大到某一值ＶＢ时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。 相应反偏电压ＶＢ称为pn结击穿电压。

击穿是pn的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，pn

结则会因功耗过大而被热损坏。 击穿机制：

热击穿； 隧道击穿；

雪崩击穿---常见的主要击穿机制。 （1）隧道击穿

隧道效应---电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。

隧道击穿---pn结反偏下，p区价带顶可以高于n区导带低，那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压达到ＶＢ时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。 （2）雪崩击穿

碰撞电离---反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电离。

雪崩倍增效应---产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿---由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。

5.异质结定义

二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那么其界面及二测少子密度(与平衡状态相比)发生变化的区域称为异质结 特征：二个区域禁带宽度不同

同型异质结(二种半导体材料导电类型相同) ； 反型异质结(二种半导体材料导电类型不同)。

6、半导体的光吸收机制

机理：载流子吸收光能跃迁；

晶格振动吸收光能。

机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收， 激子吸收，晶格振动吸收。 激子：

处于禁带中的电子与价带中的空穴在 库仑场作用下束缚在一起形成的电中

性系统。激子可以在整个晶体中运动， 不形成电流。 激子吸收：

价带电子受激跃至禁带，形成激子。

激子吸收特征：hv小于EG

第三章

1.、光辐射的度量

光辐射的度量方法有两种:一种是客观的度量方法,研 究各种电磁辐射的传播和量度,称为辐射度学参量.适 用于整个电磁谱区.另一种是主观的计量方法,以人眼 见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称 为光度学参量.适用于可见光谱区.

辐（射）通量：以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能。又称辐（射）功率。

光通量：从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度；单位时间内，人眼所感受到的光能。与辐射波长及人眼的视见函数有关。

2.半导体的光吸收有本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格振动吸收等多种吸收机制。其中，最主要的吸收是本征吸收。

价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收过程称为本征吸收。

2.光电导探测器原理

内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此引起电导率变化或电流电压现象，称之为内光电效应，是相对于外光电效应而言的。

光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率使电导率增加，这个现象称为光电导效应。

第四章重点：

▲定义，知道相关器件：

外光电效应：物质吸收光子并激发出自由电子的行为

（光电发射效应：光电管、光电管、像增强管）

内光电效应：当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化,或产生光生电动势的现象 （光电导效应：光电导管或称光敏电阻 光伏效应：光电池、光电二极管） ▲定义，比较，简答题： 光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子 后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。

特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。例如：太阳电池花

光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的 光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

说明：在红外区，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，常用于红外线辐射探测。 例如：热释电红外探测器

光谱匹配是选择光电探测器，如像管、光电倍增管、红外成像器件的光电转换材料的重要依据。希望光电探测器尽量与光源匹配。

▲定义：如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf

噪声主要分为：有形噪声和无规噪声

前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏 它是探测器所固有的不可避免的现象。

任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。

这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题

长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小

依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声。

▲几种噪声的定义： 1.散粒噪声：

无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 2.产生－复合噪声

对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。

因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生—复合散粒噪声 3.光子噪声

以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流Id为零。由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。

因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子噪声。它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大 4.热噪声

电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。 5. 1/f 噪声

1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。

这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或

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