半导体光电子学复习

复习半导体光电子学2012,5,4题型分布一、名词解释（每小题5分，共30分）二、简答题（每小题6分，共48分）三、计算题（10+12=22分）：名词解释本征半导体本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。名词解释N型半导体也称为电子型半导体,其自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷、砷、锑等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多数载流子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。名词解释PN结把P型半导体和N型半导体结合在一起，P区（P型半导体）中空穴浓度大，N区中电子浓度大。因此在两者的结合面会发生电子与空穴的扩散。空穴和电子会相互越过交界面进行复合，这样就在N区靠近交接面处带正电荷，在P区靠近交接面处带负电荷，即在P区和N区交界面的薄层区内一边带正电荷，一边带负电荷，这个薄层称之为PN结。名词解释异质结两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。不同的半导体各具不同的带隙能量。名词解释简并半导体当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导体。名词解释带隙导带与价带间的的能量差，或者叫禁带宽度。名词解释费米分布热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数名词解释同色异谱光源的色温和相关色温光源的色温和相关色温当某一光源的颜色与某一温度下黑体的颜色当某一光源的颜色与某一温度下黑体的颜色相同时，黑体的温度相同时，黑体的温度T Tc c即为这种光源的颜色即为这种光源的颜色温度，简称色温，单位为开尔文，符号温度，简称色温，单位为开尔文，符号K K。当某一种光源的颜色与在某一温度下的黑体当某一种光源的颜色与在某一温度下的黑体颜色最接近时颜色最接近时,黑体的温度即为这种光源的黑体的温度即为这种光源的相关色温。相关色温。三原色说由杨和黑尔姆兹提出,也称杨一黑理论。他们认为任何颜色都能由三种波长的纯光混合而产生。人具有三种不同形态的锥体细胞,它们分别对红、绿、蓝三种原色最敏感。以不同比例混合这三种原色,可以产生各种不同颜色。名词解释外光电效应外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极限波长。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而非光的强度.名词解释施主杂质 施主能级当V族元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质.成键后，P原子多余 1个价电子.(1)比成键电子自由得多，EDEV(2)与导带电子也有差别（受到 P+库仑吸引作用）名词解释施主杂质 施主能级(续前)名词解释受主杂质 受主能级当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质名词解释受主杂质 受主能级(续前)名词解释光电二级管的量子效率名词解释雪崩倍增因子在雪崩区中载子的倍增的倍数与此区中撞击电离几率有关，也就是与此区的电场有关，亦即与反向偏压Vr有关。APD的整体或有效的雪崩倍增因子(avalanchemultiplicationfactor)M定义为 是一次的没有经过倍增的光电流，这个电流是在没有倍增之下测量的，比如在小的反向偏压下测量。名词解释视敏函数在等能量分布的光谱中，虽然各种波长的光辐射功率相同，但是人眼感到最暗的是红色，其次是蓝色与紫色，而最亮的则是黄绿色。由此可见，人眼对不同波长的光具有不同的视觉敏感程度。显然，人眼的视敏度是波长的函数，我们通常将这一关系称为视敏函数。名词解释状态密度晶体中每单位体积，单位能量的电子能态（电子波函数）的数目。名词解释替位式杂质和间隙式杂质A间隙式杂质原子：原子半径比较小B替位式杂质原子：原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近简答题本征半导体的特点：本征半导体的特点：1.1.在在0K0K时时,呈绝缘体特征；呈绝缘体特征；2.2.在在TKTK时，受热激发（本征激发）；产生电时，受热激发（本征激发）；产生电子空穴对；子空穴对；3.3.在在TKTK时，有两种载流子可以参与导电，即时，有两种载流子可以参与导电，即自由电子和空穴。自由电子和空穴。简答题举例说明半导体材料的分类按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。简答题简要阐述半导体中电子扩散与漂移的区别.扩散运动是由载流子的浓度差引起的，浓度高处的载流子总是要向浓度低处扩散运动。漂移：假设给半导体一个电场，此场产生力作用在自由电子及空穴而产生漂移。电子和空穴在电场E的作用下，要发生漂移运动。电子逆场强方向运动，空穴则顺场强方向而运动。扩散(diffusion)：由浓度改变(浓度梯度)所引起漂移(Drift)：由电场引起简答题简要阐述光电效应(包括外光电效应和内光电效应).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（Photoelectriceffect）。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，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。简答题对照下图简要绝缘体、半导体、导体之间的区别。绝缘体、半导体、导体之间的区别绝缘体：价电子与邻近原子形成强键，很难打破，没有电子参与导电。能带图上表现为大的禁带宽度，价带内的能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶的电子激发到导带。Eg5eV半导体：邻近原子形成的键结合强度适中，热振动会使一些键破裂，产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度较小，价带内的能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带中留下空穴。外加电场，导带电子和价带空穴都将获得能量，参与导电。Eg1eV金属(导体)：导带或者被部分填充，或者与价带重叠。很容易产生电流。简答题指出下图能带图(a)-(b所代表的三种半导体类型，并阐述各自特点。简答题阐述光电倍增管的工作原理。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增,放大倍数可达到几万倍到几百万倍。最后,在高电位的阳极收集到放大了的光电流。光电倍增管的工作原理简答题简要阐述能带理论的价带、导带、禁带、带隙的定义。能带中电子按能量从低到高的顺序依次占据能级。与最外层价电子能级对应的能带称为价带。价带上方是未被电子占据的空能带。价电子到达该空带后将能参与导电，因此该空能带又称为导带。价带和导带之间不存在能级的能量范围叫做禁带。禁带的能量宽度便称作带隙。直接带隙与间接带隙简答题结合下图阐述太阳能电池(光伏元件)的基本工作原理。n型半导体很薄（p型通常是n型的100倍以上）掺杂比较高鱼骨状电极，增透膜掺杂浓度高，相应的空间电荷区（耗尽层）的宽度小波长0.50.7m中波长 耗尽区；波长0.4m附近1m范围吸掉；0.91.1m长波长的光在耗尽区产生的电子空穴对，在内建电场的作用下进行分离；而在n区和p区要依据扩散作用。长波长光子在p区被吸收，Le少数载流子 穿透深度短波长光子在n区被吸收，Lh少数载流子可以认为Lh+W+Le这段宽度对太阳能电池有贡献，电子的穿透深度比空穴的要长，LeLh所以选择p区比你n区宽很多(100多倍)简答题结合右图阐述PIN光电二极管的基本工作原理。pin半导体元件的理想化结构如图所示为p+-本征-n+的结构；本征层的浓度小于p+和n+区域，而且宽度大于p+和n+区，典型值为550m，以特殊应用而定。在理想化pin光二极管，为方便起见，我们可以使用i-Si当作真正的本征半导体。当pin结构形成时，空穴和电子分别由p+和n+区往i-Si层扩散，在i-Si层的空穴与电子复合而消失，这会在p+区留下薄的带负电荷的受主离子层，在n+区留下薄的带正电荷的施主离子层。在i-Si层有均匀的内建电场，电场方向是由正的施主离子指向负的受主离子，与pn接面光二极管比较，pn接面耗尽层的内电场是不均匀的。在没有外加偏压之下，内建电场E0会阻止多数载流子进一步扩散到i-Si层而达成平衡。简答题LED发光的原理发光的原理LED（Light Emitting Diode），是一种固态的半导体器件，是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体型半导体，空穴占主导地位，另一端是空穴占主导地位，另一端是N型半导体型半导体，主要是电子。这，主要是电子。这两种半导体相连就形成一个两种半导体相连就形成一个“P-N结结”。当电流通过导线。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在区，在P区里电区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。发光的原理。简答题简述LED(发光二极管)与LD(激光二极管)的区别。(1)在工作原理上的差别：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)在结构上的差别：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)效率上的差别：LED没有临界值特征，光谱密度比LD小几个数量级，LED发汇出光功率小，发散角大。简答题简述目前产生半导体白光光源主要有哪几种种方式。三基色白光三基色白光光源光源紫外紫外LED激激发白光光源发白光光源蓝光蓝光LED激发激发白光光源白光光源基于蓝光LED，通过荧光粉激发一个黄光，组合成为蓝光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光简述目前产生半导体白光光源主要有哪几种种方式。简答题简要pn光电二极管的原理。pn光电二极管有一个p+n型的结面,也就是p型的受主浓度Na远大于n型施主浓度Nd。照光面有一个环状电极的窗口，它允许光子进入这个元件，也有一个降低反射光的增透膜(antireflectioncoating)。p+面一般很薄(低于1微米)。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。pn光电二极管简答题简要LD(激光二极管)中的粒子数反转的实现途径。在PN结上施加正向偏置，则有电流流过PN结，即电子由N区注入到P区，而空穴由P区注入到N区。提高偏置电压，电流增大到某一定值时，就会使有源区材料的导带中能级上电子占有的几率大于价带中相对应能级上电子占有的几率，从而发生粒子数分布反转简答题阐述CCD中电荷储存的原理。构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构 如图I（a）所示，在栅极G施加正偏压UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图I（b）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当UGUth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用S表示)变得如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10-2m)但电荷浓度很高的反型层,如图I(c).简答题彩色相机(CCD)色彩记录的机制1.棱镜3CCD彩色相机。利用棱镜，将光线折射成三部分。在R，G，B三束光线的方向上分别帖上三片感光片，各自感光。2.利用滤光片让相临四个像素分别只能接收R，G，G，B光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值。之 后，通过软件合成为彩色。这样，每个像素的彩色信息其实 是不独立的，依赖于相临像素的信息。简答题彩色相机(CCD)色彩记录的机制（续前）3.使用RGB3层芯片重叠放置，由于不同能量的光子对芯片物质的穿透率差异，可以通过计算在每一层上感光的电荷数目来获知最初入射的原始光子情况。从而知道每一个点的RGB值。简答题彩色相机(CCD)色彩记录的机制（续前）光线简答题阐述像增强型CCD(IntensifiedCCD)的组成、耦合方式。像增强器像增强器CCD摄像头摄像头 中继透镜中继透镜物物 镜镜像增强器像增强器 CCD摄像头摄像头 光纤光纤(锥锥)面板面板物物 镜镜计算题 一硅制pin光二极管，主动的光吸收面积直径为0.4mm，当照射一波长为700nm(红光)和强度0.1mWcm-2的光线时，产生了56.6nA的光电流，问在700nm时，光二级管的响应率和量子效率为多少？(已知普朗克常数h=6.62610-34Js,电子电量e=1.610-19C).或者0.126W 响应率为量子效率为计算题在没有倍增(M=1)之下，一个硅制APD对于830nm有70%的量子效率，这个APD被偏压在倍增因素为100，假如入射光功率为10nW,光电流为多少？(已知普朗克常数h=6.62610-34Js,电子电量e=1.610-19C)在M=1,以量子效率表示的响应率为假如Iph0是一次光电流（没有经过倍增），P0是入射光，那么由定义R=Iph0/P0,所以Iph0=RP0=（0.75AW-1）（2010-9W）=1.510-8A在APD的光电流Iph是Iph0乘以M，Iph=MIph0=（12）（1.510-8A）=1.8710-7或者180nA在M=12的响应率为R=Iph/P0=MR=(12)(0.75)=9.0AW-1计算题半导体材料GaAs的带隙能量在温度300K为1.42eV,已知其带隙能量随时间的变化率dEg/dT=-4.5*10-4eVK-1，求当温度在300K附近变化10K，用GaAs材料制作的LED的输出光波长的变化量。(已知普朗克常数h=6.62610-34Js,电子电量e=1.610-19C)计算题三元合金In1-xGaxAsyP1-y，成长在InP晶体基板上是合适的商用半导体材料，可用来作为红外线波长LED及激光二极管的应用。这组件需要InGaAsP层晶格匹配于InP晶体基板以避免晶体缺陷出现在InGaAsP层，这将需要y2.2x，三元合金能隙Eg以eV为单位，由经验关系可表示为，Eg1.35-0.72y+0.12y2，且0 x0.47,计算发射峰值在1.3m波长下，InGaAsP三元合金的组成为何？解：首先，我们需要得到对感兴趣波长的能隙Eg，在发射峰值下，光子能量为hc/=Eg+kBT，则表为电子伏特，而在=1.3l0-6m，取T=300K，则InGaAsP必有y满足0.928=1.350.72y+0.12y2在计算器上解这二次方程得y=0.66，则x=0.66/2.2=0.3，最后三元合金为In0.7Ga0.3As0.66P0.34。计算题计算题辐射波长为670nm（红光）的商用激光二极管有如下特性：25的阈值电流为76mA，I=80mA的输出功率为2mW，通过二极管的电压为2.3V，若二极管电流增加至82mA，光输出功率则增加至3mW，试计算激光二极管的外部量子效率，外部微分量子效率，外部功率效率