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固体光电子学复习提纲.doc

固体光电子学复习提纲

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2010-12-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《固体光电子学复习提纲doc》,可适用于高等教育领域

固体光电子学结课考试复习提纲固体光电子学复习提纲平面波第一章光在波导中的传播(一)模式与传播常数坐标系图示)模式类型TE模(横电):(或在z方向只有一个分量)TM模(横磁):(或在z方向只有一个分量))传播常数相当于平面波中的波矢量相速度与传播常数的关系传播方式图示传播常数应满足的色散关系遵守的色散关系用有效折射率表示的色散关系传播常数存在的范围A.大于不存在能够传播的模称为禁区B.小于光波不能被限制在波导当中而变成平面波称为辐射区。(二)场型基模、一次模、二次模的模式花样(场型)m代表在x方向有m个极大值。(三)平板波导的有效厚度在波导传播的电磁场并不是仅限于波导层内而是扩展到衬底和覆盖层中其穿透深度分别为和因此平面波导的有效厚度定义结论:°不同的传播常数有不同的有效厚度°对应不同的折射率和越小有效厚度也越小。(四)模的衰减结论:°衰减系数随有效厚度增加而减少°衰减系数还取决于介质的吸收和表面的散射由于选择了低吸收的材料所以只与表面散射有关。(五)单模传输和多模传输输入光波的频率等于m阶的截止频率波导中大于的模次截止低于的模次可以传播。截止的模次m为结论:°波导中有,,,…(m),m个TE模传播亦有m个TM模传播因此波导中共有m个模传播。°对于对称波导上式右边第二项为因此m(对称)比m(非对称)大意味着对称波导中有更多的波导模传播°取m=则对于不低于次的模均截止此时只有基模传输°选择足够小的波导厚度d可以得到基模传输°对称波导基模没有截止频率(由截止频率公式知其值为)而对于非对称波导波导层小到一定程度时基模也可以截止这时电磁波在波导以外的空间以平面波形式传播。(六)多模传输的脉冲展宽平面波导中模的相速度和群速度为传播L段距离所用的时间为t(群延迟)为材料色散为波导色散为模间色散结论:°波导中传播的光信号包含不同的频率由于每个频率三种色散不同因此每个频率对应的群延迟不同使输入脉冲信号随着传播距离的延长而展宽即使传播单一频率的光信号(由于以很多模式)由于模式间的色散不同模式具有不同的群延迟因此光脉冲也造成展宽。°要传播信号则采用较簿的波导传播基模但损耗较大要传播能量则采用较厚的多模波导。(七)阶跃光纤)基模传播条件(只记此式不用管推导))数值孔径结论:NA越大能耦合进光纤的能量越大。第二章光的耦合和调制(一)平行波导间模的横向耦合功率在模间转换时随长度的变化关系结论:两个基本条件)只有传播常数相同的模才能有效的耦合)为了使功率完全转换必须满足耦合长度L公式(二)径向耦合平面发光体(朗伯发光面)与光纤的径向耦合设光纤的数值孔径第三章半导体中的光发射(一)能级分布玻尔兹曼分布费米狄拉克分布费米能级平衡粒子数的费米能级(本征、N型、P型)非平衡粒子数的准费米能级玻尔兹曼分布:晶格热振动达到热平衡时的平均能量为E的几率为费米狄拉克分布:温度T下能量为E的能级被电子占据的几率(说明:费米能级不是真实能级是虚构能级用来说明电子填充的水平。)导带中电子浓度(统计平均值)价带中空穴的浓度(统计平均值)电子与空穴的浓度满足的关系本征半导体N型半导体中P型半导体中其中为本征半导体的费米能级、为平衡时N型和P型半导体的费米能级费米能级与掺杂浓度的关系(N型)(P型)非来衡载流子、为非平衡时的准费米能级达到平衡后应有。(二)非平衡载流子的辐射复合(产生光辐射).带间辐射主要发生在本征半导体中。又分为直接复合和间接复合。光辐射的峰值能量为图(a)直接跃迁(b)间接跃迁.能带局域能级的复合图能带局域态间的复合.施主受主对的复合图施主受主对复合.激子复合(低掺杂时可能出现激子“电子空穴对”“自由激子”可以自由运动束缚激子被束缚在施主或受主周围).通过等电子中心的复合(等价原子掺杂不成为施主杂质也不成为受主杂质但电子亲合力不同有“等电子陷阱”作用或将间接跃迁变成直接跃迁提高跃迁几率)(三)非辐射复合.多声子过程深能级对发光的淬灭图表示多声子过程的位形坐标.俄歇效应(定义:当载流子复合时把所放出的能量转移给另外的载流子使其被激发到更高能态成为“过热”载流子)俄歇效应产生的过热载流子可以把能量无辐射地交给晶格。图半导体中电子代穴复合的俄歇过程示意图.电子。空穴(四)PN结和发光二极管)PN结的形成当P型材料与N型材料紧密接触时界面处出现了载流子的浓度差于是产生了载流子的扩散电流电子从高浓度的N区向P区扩散空穴由高浓度的P区向N区扩散破坏了电中性使N区带正电P区带负电在P区和N区之间形成了一个自建电场。在自建电场的作用下又发生迁移电流正好与扩散电流方向相反。)非平衡载流子的产生PN结少子注入自建场势垒外加偏压后势垒变为。这时P区少量空穴可以越过势垒进入N区同样N区电子也可以进一步扩散到P区称这时的现象为少数载流子的注入。注入电流包括三部分(扩散电流、复合电流、隧穿电流)哪个电流对发光的起主要作用?()扩散电流由于势垒降低少数载流子向体内的扩散形成扩散电流发光主要是这种电流。()空间电荷区复合电流如果在空间电荷区内存在复合中心(深能级)使得流经的非平衡载流子复合掉且不发光反而降低发光效率。()隧穿电流当空间电荷区很簿P区及N区掺杂又浓时N区的电子隧穿过势垒直接与P区空穴复合或隧穿至电荷区内的深能级发生电子空穴复合。隧穿电流一般很小常常可以忽略。)半导体结型发光器件发光效率(会写出这几种定义的文字表达式内量子效率外量子效率光学量子效率功率效率流明效率)内量子效率外量子效率光学量子效率功率效率流明效率(流明瓦)(流明)与人眼对不同波长的光的刺激值函数有关)影响结型发光器件.注入效率.发光层最佳厚度.温度对效率的影响(五)半导体中的受激光辐射°当时产生净受激发射°当时产生净受激吸收°E不同增益系数不同。(六)PN结激光器和异质结激光器.PN结激光器)粒子数反转的产生图(a)简并半导体PN结(b)形成粒子数反转的示意图加偏压前:P型和N型的费米能级保持相同水平构成(a)的形状加偏压V后:势垒降为P区和N区费米能级分开由于少数载流子的注入水平延伸至准费米能级延伸至。并且满足由此形成粒子数反转的区域在PN结区称为激活区。)谐振腔的形成半导体材料的折射率正比于载流子浓度。激活区折射率高于非激活区形成平板波导光束被限制在激活区内。.异质结激光二极管)异质结发光器件的优点(文字简述).提高注入效率如P型是窄带N型是宽带这时从P区进入N区的空穴要越过的势垒大于从N区过来的电子所需越过的势垒。因此外加正向偏压后电子的注入比空穴的注入要大得多大大提高了注入效率提高了发光效率。.提高复合区光密度对于PN结发光器件发光区主要是P区如果在P区外再生长一层宽禁带的P型由此形成如下的能带结构图单异质结能带结构N区进入P区的电子受到P区势垒的阻挡可以限制P区的扩散长度使复合区限制在一个很簿的区域当中大大提高注入P区的载流子浓度有利于产生粒子数反转。.形成光出射的窗口P区的禁带宽度大于P区发射的光子能量因此P区是很好的窗口。.形成很好的欧姆接触半导体的禁带宽度越窄越容易形成良好的欧姆接触而发光材料的禁带宽度一般都很宽。做成发光材料时在外面生长一层窄带材料构成异质结获得与金属有良好的欧姆接触。.形成波导层禁带越宽的半导体折射率越小因此在激活层两边连接宽禁带材料形成双异质结由于发光层具有较高折射率夹在折射率较低的宽禁带材料之间构成了波导在激光二极管中就做成激光谐振腔。第四章光的探测和接收(一)分类概念(给出一种器件说出是哪种效应)光子效应分类效应相应的探测器外光电效应)​ 光阴极发射光电子)​ 光电子倍增打拿极倍增通道电子倍增光电管光电倍增管像增强管内光电效应)​ 光电导(本征和非本征))​ 光生伏特PN结和PIN结(零偏)PN结和PIN结(反偏)雪崩肖特基势垒)​ 光电磁光子牵引光导管或光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器光热效应分类效应相应的探测器效应相应的探测器)​ 测辐射热计负电阻温度系数正电阻温度系数超导热敏电阻测辐热计金属测辐射热计超导远红外探测器)温差电)热释电)其他热电偶、热电堆热释电探测器高莱盒液晶等(二)几种探测器的优缺点比较.光电池(响应最慢便宜无需外电路).光电二极管(响应一般便宜有外电路反向偏置).PIN管(响应快贵有外电路反向偏置)(三)PN及PIN光电二极管工作原理(结合文字叙述~点内容可以用自已理解和组织文字):)在典型PN结中反向偏压后结区内有高电场)光照下结区内产生的电子被高场扫向N区空穴被扫向P区)被扫向N区的电子渡跃空间电荷层进入N区改变了N的电中性)外电路向N区提供一下正电荷保持N区的电中性这就对外电路贡献了一个电荷P区也同样对外电路贡献一个电荷)P区内产生的光电子到达空间电荷层边缘的距离不大于电子平均自由程这样的电子就有很大的几率到达空间电荷层被高场拉向N区也对外电路贡献一个电荷N区内产生的光电子也同样对外电路贡献一个电荷)对光电流有贡献的区域只限于空间电荷层加上电子和空穴在电荷层两侧的扩散长度以之和)结区内产生的载流子穿得距离不大于空间电荷层厚度对入射光响应快P区和N区响应速度慢为提高速度尽量使光生载流子产生于空间电荷层内。)采用PIN结构入射光透过P层进入I层在I层中全部被吸收没有光进入N层。

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