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带

隙p区。这种异质结有助于载流子从宽带隙区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的势垒也阻碍着空穴由p区向n区注入。

(2)同型PP异质结限制有一个较高的势垒以阻挡注入p区（即异质结激光器的有源区）的

电子漏出。

(3)由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此有源区两边的同型和异型异质结都能产生

光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层溢出而损耗掉。

(4)在实际激光器的结构中，往往需要生长一层与前一层掺杂类型相同但杂质浓度很高的盖

帽层（或顶层），这种同型异质结可用来减少与相继的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接触。

(5)在条形激光器中，异质结在平行于结平面方向上对光子和载流子进行限制，从而有利于

激光器性能的进一步提高。

五、激光器的谐振腔有哪些不同类型？在DFB激光器中，谐振腔的工作原理是什么？为什么要加一个四分之一波长的相移器？

主要类型有：

按稳定性分：稳定腔，非稳定腔和介稳腔

按反馈方式分：集中反馈腔和分布反馈腔

按反射镜类型分：平凹腔，双凹腔，双凸腔，凹凸腔，平凸腔

谐振腔的作用：

提供光学正反馈和产生对实际振荡光束的限制作用，即对振荡模式的限制作用。

原理：其与F-P激光器的区别在于没有集中反射的反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的bragg光栅提供的，其主要原理是基于bragg衍射原理。只有特定方向和

特定波长的衍射波才能在腔内来回反射，并获得叠加增强的作用，其它方向上的

衍射波互相抵消，这种反射是由周期性波纹结构所提供的相反行进的两种光波的

相互耦合所形成。当介质达到粒子数反转后，这种光波在来回反射中不断得到放

大，当增益满足一定阈值条件时，就会形成激光振荡，起到谐振腔的作用。

当加上一个四分之一波长的相移器后，能够扰动正、反行波反馈的对称性，驻波在DFB 区中心平滑相接，使得DFB激光器能够在布拉格波长下发生谐振，此时激光器能以最强的反馈和最低的阈值增益，实现稳定的单纵模工作，同时由于主模和次模有较大的阈值增益差，具有更好的稳定性和模式选择性。

考点：

第一章：

1.k选择定则：电子跃迁必须满足能量和动量守恒。

2.直接跃迁和间接跃迁：电子从价带极大值跃迁到导带极小值，在布里渊区对应同一波矢k则为直接，不同波矢k则为间接。

3.驻波条件：光子在谐振腔内能产生稳定振荡的谐振条件为，光子在腔内来回一周的光程应等于所传播的平面波波长的整数倍。

4.粒子数反转条件：h v≥Eg，受激辐射光子数多于被吸收的光子数。

5.辐射复合：电子和空穴复合后放出光子

6.非辐射复合：电子和空穴复合后以声子的形式放出，或转变为自由载流子的动能。

7.俄歇复合：

8.增益系数与电流密度：电流密度达到一定值后才出现增益系数开始为正值，并随电流密度的增加而增加，当电流密度增大到某一阈值时，增益系数不再随电流密度发生大的变化。

9.与跃迁速率有关的几个量：光子密度，电子能级的占据几率，电子态密度，跃迁（受激吸收和发射，自发）的几率系数。

第二章异质结

1.异质结的定义和成因及能带：

异型：首先pn中的多子扩散，然后形成内电场，n带正电，p带负电，然后形成电子和空穴的漂移，形成空间电荷区即耗尽层。

同型：无论pp还是nn都是多子扩散，在宽禁带材料中形成耗尽层，在窄禁带中形成电荷积累层。

2.双异质结在半导体激光器中的应用：

(1)pn降低势垒电子更易于注入p区有源层，阻碍空穴进入n区。

(2)pp提高势垒，p区电子不易泄露。

(3)pp减少与金属的接触电阻，实现良好欧姆接错。

(4)有源区两边的p、n折射率更高，有限制光场的作用。

3.异质结中的晶格匹配：一般要求晶格匹配，但在极薄的情况下，可由弹性应变来弥补。

4.超注入：在大正向偏压下，异质结中被注入区的载流子浓度高于载流子注入源区的情况。

第三章光波导

1.光波导：将光场限制在有源区内并使其在输出方向上传播。

2.折射率波导：利用限制区和有源区的折射率差异将光限制在有源区传播。

3.增益波导：利用有源区中心与侧向载流子的浓度梯度限制光的传播。

4.矩形介质波导：在有源区的水平横向和垂直横向都有折射率不同的限制区。

第四章异质结半导体激光器

1.激光器的组成：有源介质，谐振腔和驱动电源。

2.FP腔半导体激光器的结构与分类：按垂直于PN结方向的结构分类按照垂直于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

3.同质结激光器：波导特性较差（n相同），阈电流较大且随温度发生剧烈变化。

4.条形激光器的特点：

(1)侧向尺寸减少，光场对称性增加，提高了与光纤的耦合效率。

(2)侧向对电子和光场有限制，减小了阈值电流密度和工作电流。

(3)热阻小，散热快，有利于提高热稳定性。

(4)有源区面积小，容易获得尽可能少的缺陷或无缺陷的有源层。

(5)有利于改善侧向模式。

5.电流的侧向扩展和载流子的侧向扩散：

扩展：条形接触电极和有源层pn结间多数载流子的漂移运动。

扩散：注入有源层的非平衡少数载流子因浓度梯度由中心和两侧所形成的扩散。

6.四分之一相移区

第五章激光器的性能

1.阈值特性：阈值是衡量自发发射和受激发射的分水岭，是区分LD和LED的主要标志。

影响阈值的因素：

(1)结构:同质结、单异质结、双异质结以及波导结构。

(2)激光器的几何尺寸：有源层厚度（与阈值电流密度成开口向上抛物线关系）和

宽度（宽度增加，阈值电流密度增加）及腔长（减少导致电流密度增加）。

(3)温度：阈值电流密度随温度上升。

(4)波长：波长范围向0.8~1.3um两侧伸展，导致阈值电流密度增加。

2.激光器的近场和远场：近场指光强在解理面上的分布，与侧向模式相关；远场指在