光电子材料与器件.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流光电子材料与器件.精品文档.光电子材料与器件绪论1 例举信息技术与光电子技术所涵盖的几大方面：信息技术主要包括信息的产生、传输、获取、存储、显示、处理等六大方面；与之相对应的光电子技术主要包括光的产生与转化、光传输、光探测、光存储、光显示、光信息处理。2 简述光电子技术的定义及其特征：光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。光电子技术的特征：光源激光化、传输波导（光纤）化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化。3 简述信息技术的发展趋势及各阶段的主要特点：第一阶段电子信息技术 其特征是：信息的载体是电子；半导体，计算机等第二阶段光电子信息技术 其特征是：光子技术和电子技术相结合；激光器，光纤等第三阶段光子信息技术其特征是：以光子作为信息的载体；全光通信，光计算机等4 简述光子传递信息的特点：（1） 极快的响应时间，可用于超高速、宽带通信（2） 传输信息容量大（3） 信息传输过程中失真小（4） 高抗干扰、高可靠性（5） 光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点总之，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。太阳能电池1、 举例说明太阳能利用的优缺点优点：普遍（不受地域及技术条件限制，无需开采和运输 ）J 洁净（不产生废渣、废水、废气 ，无噪声，不影响生态）J 巨大 （1.68×1024cal/年，相当于20万亿吨标准煤燃烧的热量）缺点：能流密度低（1kw/m2，需要相当大的采光集热面才能满足使用要求 ） L 不稳定（受时间，天气影响明显） 大规模使用的成本和技术难度均很高（515倍）2、 例举太阳能电池发展史中的里程碑事件1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）1954年美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用3、 光电效应包括哪几类？举出每类的代表性器件光电效应(photoelectric effect)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 金属 §其主要应用有光电管和光电倍增管。内光电效应：光照射到半导体材料上激发出电子-空穴对而使半导体产生了电效应。内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。半导体 光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电阻。 本征或掺杂半导体 光生伏特效应是指光照射下物体内产生一定方向的电动势的现象。其应用主要有光伏电池（太阳能电池）、光(电)敏二极管、光(电)敏三极管等。 PN结半导体4、 简述太阳能电池的光能-电能转化原理 当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导体材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自由载流子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下，空穴往p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往n-型区移动， n-区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应(光生伏打效应)。当用导线连接p-型区和n-型区时，就会形成电流.5、 说明太阳能电池结构中金属梳状电极以及SiO2保护薄膜的作用金属梳状电极：一方面金属收集载流子，要比半导体有效；另一方面梳状不会完全的阻挡阳光，增加了光的入射面积；SiO2保护膜：硅表面非常光亮，制作者给它涂上了一层反射系数非常小的SiO2保护膜（减反层），将反射损失减小到5甚至更小；6、 简述发光二极管、太阳能电池以及光电二极管工作原理的异同太阳能电池和光电二极管都是基于光伏效应的光电器件。其主要区别在于：光伏电池在零偏置下工作，而光电二极管在反向偏置下工作光伏电池的掺杂浓度较高1016-19从而具有较强的光伏效应，而光电二极管掺杂浓度较低1012-13光伏电池的电阻率较低0.1-0.01 /cm，而光电二极管则为1000/cm光伏电池的光敏面积要比光电二极管大得多，因此光电二极管的光电流小得多，一般在uA级。发光二极管：Light Emitting Diode，在电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，空穴和电子在发光层中相遇、复合形成激子，激子经过驰豫、扩散、迁移等过程复合而产生光子。7、推导理想光电池最大输出功率公式8、画出理想太阳电池的等效电路，写出通过负载电阻的电流公式，开路电压及短路电流公式。9、太阳能电池按材料分分哪几类？例举各类型中有代表性的太阳能电池。10、简述太阳能电池的应用能够解决人类社会发展在能源和环境方面的三个主要问题，并逐一举例说明。开发宇宙空间所需要的连续不断的能源：太阳电池非常适合空间应用，因为它不消耗燃料，不消耗自身、不排放废物，目前通信卫星、空间探测器、空间站等都广泛采用太阳电池。地面一次能源（天然能源）的获得，解决矿物燃料短缺与环境污染问题：目前最重要的地面应用为并网发电,包括城市与建筑结合得并网光伏发电系统(BIPV)和大型荒漠光伏发电站.目前60%的太阳电池用于并网发电系统,主要用于城市.日益发展的消费电子产业所需要的电力供应：太阳电池也作为小功率电源使用,如太阳路灯、庭院灯、草坪灯、太阳能喷泉、太阳能城市景观、太阳能信号标识、太阳能广告灯箱、太阳能充电器、太阳能钟、太阳能计算器、汽车换气扇、太阳能汽车、太阳能游艇等。光通信1、 从通信波长、传输速率、中继距离等方面说明各代光纤通信系统的主要特点。光纤通信：以光波作为载波；以光纤作为传输媒介1. 频率高、频带宽、容量大2. 损耗小，中继距离长3. 保密性能好4. 抗干扰能力强5. 原料丰富、成本低、重量轻、寿命长6. 耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、可靠性高 2、 光纤通信的主要优点有哪些？3、 光纤通信系统的主要组成部分？光纤通信系统一般由电端机(收发)、光发射机、光接收机、光中继器以及光缆等组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。4、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统传输1km，5km以及20km距离后输出光功率与输入光功率的比值。5、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统中传输时，光功率衰减一半所需要的传输距离。6、简述光纤通信发展所经历的三次技术飞跃。20世纪60年代。1962年第一台半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。7、光纤通信常用的低损耗窗口有哪些？它们的最低损耗系数分别是多少？光纤通信常用的三个低损耗窗口：0.85 mm ：2dB/km、1.31 mm：0.5dB/km 、1.55 mm：0.2dB/km1、 计算n1=1.52，n2=1.51的阶跃光纤在空气（n0=1）中的数值孔径，对于这种光纤来讲，最大入射角是多大？2、 设光纤的纤芯半径为25um，折射率n1=1.46，n2=1.45，光纤的工作波长为0.85um，求归一化频率及传播模式数。如果工作波长为1.3um，传播模式数为多少？3、 当工作波长=1.31m，某光纤的损耗为0.5dB/km，如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过40km以后，输出光功率？4、 一光信号在光纤中传输，入射光功率为200W，经过1km传输功率变为100W，又传输一段距离后功率变为25W，问后一段距离为多少？5、影响光纤通信传输损耗的因素主要有哪些？目前有几个通信窗口？为什么光纤通信要向1.55um的长波方向发展。包括本征吸收、杂质吸收、原子缺陷三种 。影响较大的是在1.39、1.24、0.95 、0.72mm，峰之间的低损耗区0.85，1.30，1.55 mm构成了光纤通信的三个窗口。光探测1. 简述光电效应与光热效应的区别。光电（光子）效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子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。对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快（nsus）。 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。一般对光波频率没有选择性，响应速度比较慢（ms）。2. 光电探测器中的常见噪声有哪些？简述它们产生的原因。热噪声：或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。散粒噪声：也称散弹噪声， 穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。光电探测器的研究表明：散粒噪声是主要的噪声来源。半导体受光照，载流子不断产生复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的,但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，这种起伏导致载流子浓度的起伏，由这种起伏引起的噪声产生复合噪声。1/f噪声：或称闪烁噪声或低频噪声。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称为1/f噪声。3. 根据量子效率的定义推导量子效应与电流响应度之间的关系。4. 光电倍增管由哪几部分组成？简述每部分的作用。光入射窗：光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。光电阴极：光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大体可分为：金属材料、半导体材料。电子光学系统：(1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比； (2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。二次发射倍增系统：倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。阳极：阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。5. 某光电倍增管具有5级倍增系统，倍增系数（二次发射系数）=100。如果用=488nm，光功率p=10-8w的紫光照射倍增管的光电阴极，假设光电阴极的量子效率为10%，试计算收集阳极处短路电流强度。（h=6.63×10-34J·s，e=1.602×10-19C，c=3.0×108m/s） 解：1、 简述PN结的形成过程以及PN型光电二极管的工作原理。当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上（受激吸收），产生电子-空穴对（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。2、 比较PIN型以及APD型光电二极管与PN型光电二极管的异同。 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，这样可以提高其响应速度和转换效率。利用PN结在高反向电压下（100-200V，接近反向击穿电压），光生载流子在耗尽层内的碰撞电离效应产生的雪崩效应，实现光电流倍增（电流增益达106）。具有灵敏度高，响应速度快的特点。 3、 列出热电器件的种类以及其代表器件。热敏电阻辐射热计效应热释电器件热释电效应热电偶温差电效应4、 画出热释电探测器的原理图，并简述其工作原理。 温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测量自发极化。 当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫时间约1012s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一般在1103秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。5、 简述各类热辐射探测器的特点。 热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低。1）由半导体材料制成的温差电堆：响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。2）热敏电阻（测辐射热计）：响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求踉它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。3）热释电器件：一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。 光显示  1, 什么是三基色原理？ 自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色红(700 nm) 、绿(546.1 nm)、蓝(435.8nm)的线性组合。将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色。2，光度量有哪些？单位分别是什么？(1) 光通量: 单位时间内所发出的光量；单位：流明(lm)。(2) 发光强度: 在给定方向的单位立体角( )辐射的光通量，单位：坎德拉(cd)。(3) 光照度:单位受光面积（S）上所接收的光通量，单位：勒克斯(lx).(4)亮度:垂直于传播方向单位面积( )上的发光强度，单位cd/m23， 黑白CRT主要由哪几部分构成？简述其工作原理。CRT显示器的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、偏转线圈(Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的核心。工作时，电子枪中阴极K被灯丝加热发射大量的电子，电子束首先由加在第一控制栅极的视频电信号调制，然后经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高不同灰度级的实现。最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将图像或文字完整地显示在荧光屏上。 4，简述彩色CRT中荫罩的作用。荫罩的作用为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内设有选色电极荫罩。当电子束到达屏幕后部时，还要通过一个非常薄的，大约只有0.1MM厚的荫罩板，只使有用的电子束通过，无用电子束击打在荫罩板上做无用功发热。对于原来孔状的荫罩板，其上每一个孔都与屏幕上的一组三个荧光粉颗粒相对应(一个点有红绿蓝三个荧光粉颗粒组成)。5，简述CRT显示器件的优缺点。优点：1、亮度高（可调）2、对比度高3、视角大4、色彩还原度好5、色度均匀6、分辨率高（可调）7、响应时间短缺点：1、耗电量大2、尺寸大，重量大3、无法制造较大面积的显示屏 技术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂 显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像4、受电磁场影响，容易发生线性失真5、存在辐射，影响使用者身体健康1，按照液晶分子排列状态分类，液晶可分为哪几类？简述它们的分子排列特征。按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类： 近晶相液晶:棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。分子质心位置在层内无序，分子可在层内转动或者滑动。 向列相液晶:由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，像液体一样富于流动性。 胆甾相液晶:具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直于层的平面上，每层分子都会旋转一个角度。整体呈螺旋结构，螺距的长度与可见光波长相当。胆甾型液晶具有负的双折射性质.胆甾相和向列相液晶可互相转换。2，何为液晶的电光效应？电光效应：液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。3，说明TN-LCD的工作原理。当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无外电场作用时，由于扭曲向列液晶的旋光特性，线偏光经过扭曲向列液晶时偏振方向跟随扭曲向列液晶旋转90°，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过，因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈不透光态。4，何为液晶显示器的“交叉效应”？该效应存在于哪几种液晶显示器中？若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是交叉效应。TN、STN-LCD存在所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，当一个像素被先通时，相邻像素将处于半选通状态，产生串扰。 因此对于多路、视频运动图像的显示很难满足要求。5，简述LCD的优缺点。优点：低压、低功耗；平板结构；显示信息量大；易于彩色化；长寿命；无辐射、无污染。缺点：显示视角小；响应速度慢；亮度相对较低；对比度低；画面均匀度相对较差、存在点缺陷。6，PDP如何实现彩色显示？。PDP显示原理：PDP是利用气体放电发光进行显示的平面显示板。这种屏幕采用等离子管作为发光元件，大量等离子管排列构成屏幕。每个等离子管对应的每个小室内部充满惰性气体（AC： Ne； DC： Ne, Ar, Hg；彩色：Ne:Xe, Ag:Hg）。等离子管电极间加上高压后，封装在两个玻璃之间的气体放电，产生等离子体，等离子体产生紫外光照射三基色荧光粉发出可见光。