光电材料与器件 考试卷 A

皖西学院2016 –2017学年度第 1 学期考试试卷（A 卷）电气 学院 光电信息 专业 2014 级 光电子材料与器件 课程一．填空题：本大题共10小题，每空1.5分，共15分。

1． pn 结附近载流子被耗尽的区域，称为空间电荷区，又称__耗尽层__。

2． 往硅中掺入硼元素的半导体是_ p _型半导体。

3． 半导体发光二极管设计成圆顶（半球顶）是为了减少__全反射__的影响，以便形成有效光辐射。

4． 固体激光材料由激活离子和_基质材料_所组成。

5． 固体激光材料按照基质材料划分，可分为激光晶体、_激光玻璃_和激光陶瓷三类。

6． 固体激光器由泵浦源、固体激光工作物质与_光学谐振腔__所组成。

7． 光纤的损耗包括__吸收损耗__、散射损耗与弯曲损耗。

8． 多模光纤的色散包括模间色散、_材料色散_和波导色散。

9． 光开关可分为机械式光开关、_固体式光开关___和半导体光波导光开关三类。

10． 纳米光电材料在光学上和电学性质上表现出异于宏观光电材料的特性，这主要来源于_小尺寸效应_、表面效应和量子尺寸效应。

1． 间接带隙半导体的发光效率比直接带隙半导体高。

× 2． 高效率的发光器件需要辐射寿命远大于非辐射寿命。

× 3． GaN 是直接带隙半导体发光材料。

√ 4． 半导体激光器只要一通电，不论电流多小，都能产生激光。

× 5． 在固体激光材料中，激光晶体的主要优点是热导率高、荧光谱线窄、硬度较大。

√6． 只要形成光放大就可以产生激光。

× 7． 光纤的基本结构包括纤芯、包层与缓冲涂覆层三个部分。

√ 8． 多模光纤的色散特性优于单模光纤。

× 9． 光波导的波长越长越容易形成单模。

√10． 光纤连接器的插入损耗越小越好，回波损耗越大越好。

√ 11． 光纤放大器结构中，也包含有光学谐振腔。

× 12． 磁光调制属于光的内调制。

×13． 光子器件不存在截止波长，对一切波长的光均能响应。

× 14． 光敏电阻是光电导型器件，其工作原理为光电导效应。

√ 15． 扭曲向列相液晶显示有光透过与关闭都不彻底，对比度不理想的缺点。

√三．选择题：本大题共15小题，每小题2分，共30分。

1．电子浓度高于空穴浓度的半导体是_A 。

A ．n 型半导体B ．p 型半导体C ．本征半导体D ．不能确定 2．导带底与价带顶对应相同的k （电子波矢量）的半导体是A 。

A ．直接带隙半导体B ．间接带隙半导体C ．p 型半导体D ．n 型半导体 3．发光二极管的核心是pn 结，对于发光二极管的发光原理，以下论述中正确的是_B 。

A ．对pn 结施加正向偏压，耗尽层被加强，p 区电子向n 区漂移，n 区空穴向p 区漂移，在pn 结附近相遇，发生辐射复合，辐射出光子B ．对pn 结施加正向偏压，耗尽层被削弱乃至消失，p 区空穴向n 区扩散，n 区电子向p 区扩散，在pn 结附近相遇，发生辐射复合，辐射出光子C ．对pn 结施加反向偏压，耗尽层被加强，p 区电子向n 区漂移，n 区空穴向p 区漂移，在pn 结附近相遇，发生非辐射复合，辐射出光子D ．对pn 结施加反向偏压，耗尽层被加强，p 区空穴向n 区扩散，n 区电子向p 区扩散，在pn 结附近相遇，发生非辐射复合，辐射出光子4．___C_不是半导体激光器出射激光所必须要具备的条件。

A ．粒子数反转B ．光学谐振腔提供的驻波条件C ．较高的温度D ．光增益超过光损耗 5．以下是光纤特性参数的是_B_。

A ．插入损耗B ．归一化频率C ．分光比D ．隔离度 6．将某一光纤浸入水中，与该光纤在空气中相比，其受光角_B_。

A ．变大B ．变小C ．不变D ．不能确定7．某一无源树形光纤耦合器（1X3耦合器）输入功率是10.2mW ，输出总功率为10mW ，其中3个输出端口分别输出光功率为4mW 、4mW 、2 mW 。

则该光纤耦合器各端口分光比分别为_D_。

A ．35%，30%，35%B ．20%，50%，30%C ．15%，45%，40%D ．40%，40%，20% 8．以下光纤器件中，是光纤有源器件的是B_。

A ．光纤连接器B ．光纤激光器C ．光隔离器D ．光纤耦合器 9．以下不是光纤通讯窗口的波长是___A 。

A ．500nmB ．850nmC ．1300nmD ．1550nm 10．以下属于二阶非线性光学效应的是_D_。

A ．光束自聚焦B ．三次谐波产生C ．受激布里渊散射D ．和频. 11．下列材料中，不属于非线性光学晶体的是_C_。

A ．KDPB ．KTPC ．NaClD ．LiNbO 312．激光外调制器可分为_A 与光波导调制器两大类。

A ．体调制器B ．面调制器C ．线调制器D ．点调制器 13．_D_不是电光效应引起的典型物理现象.A ．电致折射率变化B ．电光相位延迟C ．光偏振态变化D ．正向电注入 14．光电二极管的光照特性（光电流-光照度关系）是呈_B_关系。

A ．二次函数B ．线性C ．指数D ．对数 15．对于等离子体显示与交流电致发光显示的原理，以下叙述中正确的是_A_。

A ．显示工作时都有壁电荷B ．等离子体显示工作时有壁电荷，交流电致放光显示工作时没有壁电荷C ．等离子体显示工作时没有壁电荷，交流电致放光显示工作时有壁电荷D ．显示工作时都没有壁电荷四．解答（计算）题：本大题共5小题，每小题8分，共40分。

1．简述直接带隙半导体和间接带隙半导体的发光过程，二者有何不同？ 答：直接带隙半导体的导带底与价带顶对应相同的k （电子波矢量），间接带隙半导体的导带底与价带顶对应不同的k 。

直接带隙半导体的发光过程中，导带底的电子直接跃迁到价带顶，与价带顶的空穴复合，辐射出光子；而对于间接带隙半导体，导带底的电子跃迁到价带顶需要声子的参与，需要吸收，或者发射一个声子，才能满足动量以及能量守恒。

才能完成复合，辐射出光子。

二者不同之处在于，直接带隙半导体的导带底和价带顶对应相同的k ，导带底电子发生辐射跃迁时，无需声子参与；而间接带隙半导体的导带底和价带顶对应不同的k ，导带底电子发生辐射跃迁时，需要声子的参与。

2．什么是子午光线？简述他们在光纤中的特性。

数值孔径的定义是什么？试写出跃迁型光纤中，子午光线的数值孔径的具体表达式。

（空气折射率近似为1） 答：当入射光线通过光纤轴线，且入射角大于临界角θc =arcsin(n 2/n 1)时，光线将在纤芯/包层的界面上不断发生全反射，形成曲折光线，传导光线的轨迹始终处于入射光线与轴线所决定的平面内，这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。

子午光线的特性在于入射光线通过光纤轴线，传导光线的轨迹始终处于入射光线与轴线所决定的平面内。

数值孔径的定义为光纤接受外来入射光的最大受光角（φ0max ）的正弦与入射区折射率的乘积。

在跃迁型光纤中，子午光线的数值孔径的表达式为()0sin mm m NA ϕ==3．分析磁光偏转与天然旋光之间的区别。

答：磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体自然旋光现象的不同之处，光束（线偏振光束）往返通过自然旋光物质时，因偏振面的旋转角相等，方向相反而相互抵消；但是光束（线偏振光束）往返通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都向一个方向增加。

4．相对于PN 光电二极管，PIN 光电二极管的主要优点有哪些？ 答：相对PN 二极管，PIN 光电二极管有以下优点：（1）i 区是一层接近本征层的掺杂浓度很低的n 区，在这种结构中，零电场区（p +区和n +区）非常薄，而低掺杂的i 区很厚，耗尽层几乎占据了整个pn 结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。

有效减少了光生载流子在扩散过程中的复合，提高了量子效率。

同时减小了暗电流，提高了频响特性。

（2）本征层的掺杂浓度很低，电阻率很高，反偏电场主要集中在这一区域。

高电阻使暗电流明显减少。

同时光生电子-空穴被i 区的强电场分离，并做快速漂移运动，有利于提高光电二极管的频率响应特性。

（3）i 区的引入显著加大了耗尽层厚度，减小了结电容。

5．简述扭曲向列相液晶显示（TN-LCD ）的工作原理。

答：扭曲向列型液晶TN-LCD 的玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，定向层的作用是使靠近定向层的棒状液晶分子长轴沿定向处理的方向排列。

上、下表面的定向层方向互相垂直，导致盒内液晶分子逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°。

当液晶盒的两个透明电极间不加电压时，液晶盒内的液晶材料在定向层作用下，长轴方向从液晶盒上表面到液晶盒下表面逐渐旋转90°。

垂直入射到液晶盒上表面的光经偏振片变为线偏振光，线偏振光在液晶中传输时偏振方向随着液晶分子的长轴方向逐渐旋转90°。

在液晶盒下表面，线偏振光的偏振方向平行于下偏振片，从而能够透过液晶盒。

当在液晶盒的透明电极上施加电压时，由于液晶分子的正负电中心不重合，电偶极矩的方向为液晶分子的长轴方向，因此液晶分子长轴会沿着电场方向倾斜。

当电压增大到一定的幅值时，除附着在液晶盒上、下表面的液晶分子外，其他液晶分子长轴方向都按照电场方向重新排列，液晶材料由胆甾相变为向列相，不在具有旋光效应。

此时线偏振光在液晶中传输时，偏振面得不到旋转，又由于液晶盒上、下起偏器方向相互垂直（因而线偏振光的偏振面不旋转时，偏振方向正好与下偏振片垂直），所以光线不能透过液晶盒传输。