半导体光电子学 简答题模块复习内容

（课后题）光电性质的三个基本常量（描述半导体的光学性质的三个光学常数）？****************************
答：（1）吸收系数：在光学中，吸收系数（absorption coefficient）是描述物质对光的吸收能力的一个量度。它表示单位厚度内光线被材料吸收的能量比例。吸收系数通常用符号α表示，单位为1/米（或cm^-1）。吸收系数满足。
（2）折射率：折射率（refractive index）是描述光线在从一种介质传播到另一种介质时发生弯曲的程度的物理量。折射率通常用符号n表示，是一个无单位的量。折射率是由两种介质之间的光速差异引起的。当光从一种介质（例如空气）传播到具有不同光速的另一种介质（例如玻璃或水）时，它会改变传播方向。这种现象称为折射。折射率定义为光在真空中的速度与光在特定介质中的速度之比。数学上可以表示为n = c/v，其中n是折射率，c是光在真空中的速度（光速），v是光在介质中的速度。在电磁学中，折射率的计算式为。
（3）消光系数：消光系数（extinction coefficient）是描述物质对光的吸收和散射的能力的物理量。它表示光在通过介质时由于吸收和散射而衰减的程度。消光系数通常用符号k表示，单位为1/米（或cm^-1）。复折射率，消光系数与吸收系数成正比：，其中是自由空间中的波长。

解释直接带隙和间接带隙材料，并说明其差异。
答：（1）直接带隙材料：直接带隙材料是指在能带结构中，价带和导带之间的能隙在动量空间中的最小值出现在相同的动量（或波矢）点上。换句话说，直接带隙材料的能带结构使得电子在从价带跃迁到导带时，能量变化最小。
（2）间接带隙材料：间接带隙材料是指在能带结构中，价带和导带之间的能隙在动量空间中的最小值出现在不同的动量（或波矢）点上。换句话说，间接带隙材料的能带结构使得电子在从价带跃迁到导带时，需要通过与晶格振动（声子）相互作用来满足动量守恒定律。
（3）二者差异：与直接带隙材料相比，间接带隙材料在吸收和发射光以及电子-空穴对的产生和重新组合方面表现出不同的特性。由于电子跃迁需要与声子相互作用，间接带隙材料的光学过程相对较慢，而且辐射衰减的效率较低。

写出常见的直接带隙材料和间接带隙材料。
（1） 直接带隙材料：砷化镓（GaAs）、硒化锌（ZnSe）、硅锗合金（SiGe）、磷化铟镓（InGaP）。
（2） 间接带隙材料：纯硅（Si）、碲化镉（CdTe）、砷化锑（SbAs）。

解释直接跃迁和间接跃迁的过程
答：（1）直接跃迁：直接跃迁是指电子在能带结构中，从价带直接跃迁到导带的过程，而无需通过晶格振动（声子）来满足动量守恒定律。在直接带隙材料中，电子在吸收能量或受激发时，可以通过吸收或发射一个光子的能量，直接从价带跃迁到导带。直接跃迁通常具有较高的跃迁速率和高的光吸收效率。
（3） 间接跃迁是指电子在能带结构中，从价带跃迁到导带时需要通过与晶格振动（声子）相互作用来满足动量守恒定律的过程。在间接带隙材料中，电子在跃迁时会吸收或发射一个光子的能量，同时与晶格振动相互作用，以满足动量守恒定律。这种过程导致光子的能量与动量不完全匹配，使得间接跃迁的效率较低，同时辐射衰减也较慢。

解释直接带隙吸收和间接带隙吸收
答：（1）直接带隙吸收：这是半导体中最常见的吸收方式，适用于直接带隙材料。在直接带隙材料中，光子的能量与电子从价带跃迁到导带所需的能量几乎完全匹配。当光子能量等于或略大于带隙能量时，光子被吸收，电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
（2）间接带隙吸收：这种吸收方式适用于间接带隙材料，如硅（Si）。在间接带隙材料中，光子的能量与电子从价带跃迁到导带所需的能量并不完全匹配。因此，额外的动量必须通过与晶格振动（声子）的相互作用来传递。这导致了光吸收的效率较低和辐射衰减的速率较慢。

不同自由度在能量空间中的态密度关系
答：（1）3维：量子体，
（2）2维：量子面，
（3）1维：量子线，
（4）0维：量子点，

异质结生长的三种方式
答：（1）液相外延（LPE）；
（2）金属有机气相外延（MO-VPE）；
（3）分子束外延（MBE）。

什么是散射，产生散射的原因有哪些？
答：在物理学中，散射是指当电磁波（如光、X射线或声波）与物质中的粒子或结构相互作用时，波的传播方向发生改变的现象。散射会导致波在传播过程中改变其传播方向、能量分布和波前形状。
造成散射的原因主要有以下几个：
1. 光的相互作用：当光与物质中的原子或分子相互作用时，会发生散射。根据散射的机制不同，可以分为弹性散射和非弹性散射。在弹性散射中，光的能量和频率不发生改变，只改变传播方向。在非弹性散射中，光的能量和频率发生改变，例如拉曼散射中的斯托克斯和反斯托克斯散射。
2. 粒子散射：当电磁波遇到物质中的微观粒子（如颗粒、分子、原子）时，会与这些粒子相互作用并发生散射。散射的强度和性质与粒子的大小、形状、折射率以及入射波的波长有关。
3. 结构散射：物质中的微观结构或宏观结构也可以导致散射。例如，晶体的晶格结构会对入射波进行散射，这在X射线衍射中得到广泛应用。另外，表面粗糙度、多晶材料和散射体等也会引起散射现象。
4. 声波散射：声波的散射是由于声波与物质中的不均匀性或杂质相互作用而发生的。这种散射导致声波的传播方向改变、能量耗散和声场分布的扩散。
解释色散现象及其形成原因
答：（1）色散：色散是指材料对不同频率（或波长）的光的折射率具有依赖关系，导致不同频率的光在物质中传播速度和传播方向发生变化的现象。
（2）色散的主要原因是材料中电子和原子之间的相互作用以及材料的光学性质。以下是两种主要的色散类型及其原因：
1.材料色散（Material dispersion）：这种色散是由于材料中原子或分子的电子能级结构和光的相互作用引起的。在材料色散中，不同频率的光与材料中的电子产生相互作用，导致折射率与频率有关。
2.几何色散（Geometric dispersion）：这种色散是由于光传播路径的变化而引起的。在几何色散中，折射率的变化是由于光在不同材料中传播速度不同而导致的。几何色散主要与材料的厚度、形状和表面的曲率有关。

什么是杂质能级？杂质能级有什么意义？
答：（1）半导体材料中的杂质使严格的周期性势场受到破坏，从而有可能产生能量在带隙中的局域化电子态。
（2）意义：杂质能级的形成和特性对于半导体材料的性能和应用具有重要影响。通过精确控制和调节杂质能级的位置和浓度，可以实现对半导体材料的电学和光学性质的定制，如调制材料的电导率、控制载流子寿命和调节发光特性。这对于半导体器件的设计和优化以及新型材料的开发都具有重要意义。

几个量子力学基本物理量（普朗克常量、电子质量、电子电荷）
答：、、

（课后题）比较同质结和异质结，简述异质结的电学与光学特性**********
答：（1）pn结是在同一块半导体中用掺杂的方式制成两个导电类型不同的部分，一般pn结两边是用同一种材料做成的，称为同质结。相反，两边用不同材料做成的，称为异质结。二者的比较为：
相比于同质结，异质结还具有以下特点：①异质结两侧材料具有不同禁带宽度；②由于介电常数不同，异质结界面处会出现能带的凸起和凹口，导致能带的不连续；③在异质结界面处存在比较复杂的界面态。
（2）异质结的电学特性：
①I-V特性：（i）加正向电压时，存在一个导通电压，导通时以指数形式变化且与温度关系紧密；（ii）加反向电压时，存在一个反向饱和电流，当电压增大到某一个值时，会发生击穿现象，这个电压叫做击穿电压。
②注入特性：由于异质结界面两侧的载流子所面对的势垒高度有明显的差别，正向偏压时，一种载流子的注入电流会显著超过另一种载流子的注入电流。在一定的正向偏压下，注入到窄带材料中的少数载流子浓度可以超过宽带材料的多数载流子浓度，这一特性称为超注入。
（3）异质结的光学特性：①电致发光（LED）：正向偏压下，从负极注入的电子移动到结区与从正极注入的空穴复合，电子和空穴消失的同时产生光子。②不同材料的折射率不同，从而实现波导和反射镜结构。③制成量子阱半导体薄膜的高效能器件。
可见光波范围：
答：380nm~760nm。

（课后题）半导体的光吸收有哪几类？
答：①本征吸收：电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程，前提条件为。②激子吸收：指在半导体材料中，由于电子和空穴之间的库仑相互作用形成的束缚态粒子对（激子）吸收光子能量而导致的吸收现象。③杂质吸收：指在半导体材料中由于杂质原子或缺陷引起的光吸收现象，其中杂质能级的形成对光的能量和波长有特定的吸收行为。④自由载流子吸收：指在半导体材料中，自由电子和空穴在外加光场作用下吸收光子能量而导致的吸收现象。⑤晶格振动吸收：指在材料中晶格振动（声子）与外加光场相互作用，导致光子能量被转化为晶格振动能量而产生的吸收现象。
简述辐射跃迁的三个过程
答：（1）自发辐射：热平衡下，若半导体的导带与价带中分别有一定数量的电子与空穴，导带中的电子以一定几率与价带中的空穴复合并以光子的形式放出复合产生能量的过程。
（2）受激辐射：若在半导体的导带和价带中分别有一定数量的电子和空穴，在适当的光激励下，导带中的电子与价带中的空穴复合并以光子的形式释放出复合产生的能量，且复合产生的光子与激发过程的光子有完全相同的特性。
（3）受激跃迁：当适当的光子与半导体相互作用，并把能量传递给价带中的电子，使之跃迁到导带，从而在半导体中出现电子-空穴对的过程。

解释爱因斯坦系数，并说明三者的关系。
答：爱因斯坦系数分别对应自发辐射、受激辐射、受激跃迁三个过程。
在玻色-爱因斯坦统计下，当体系处于平衡状态时，，

发射与吸收爱因斯坦系数推导关系（记住公式和等式关系即可）
答：（1）受激吸收几率：
（2）受激辐射几率：
（3）自发辐射几率：
其中，辐射几率等于吸收几率，即。体系中的粒子满足Fermi-Dirac分布，即，。
（课后题）解释说明禁带、导带、价带*******************************
答：（1）禁带：固体材料中价带和导带之间没有电子能级存在的能量范围；
（2）导带：固体材料中的一个电子能级，位于材料能带结构中的高能级区域。在固体材料中，原子中的电子可以占据不同的能级，而导带是其中最高的一个能带。导带中的电子具有较高的能量，这些自由电子受到外部电场的驱动可以从一个位置移动到另一个位置形成电流；
（3）价带：固体材料中位于能带结构中的低能级区域，价带是能量最低的一个能带。价带中的电子具有较低的能量，处于束缚状态，停留在原子周围，形成化学键。
（课后题）定性分析直接带隙跃迁比间接带隙跃迁半导体跃迁几率大的物理机制
答：直接跃迁是指电子在能带结构中，从价带直接跃迁到导带的过程，而无需通过晶格振动（声子）来满足动量守恒定律。在直接带隙材料中，电子在吸收能量或受激发时，可以通过吸收或发射一个光子的能量，直接从价带跃迁到导带。间接跃迁的电子从价带跃迁到导带的过程中需要声子的作用来弥补动量不守恒，因此一般需要更大的能量来发生跃迁。综上易知，直接带隙跃迁比间接带隙跃迁的跃迁几率更大。
（课后题）简述半导体发光二极管工作原理、特征参数、主要应用*****
答：（1）工作原理：LED的两种材料的交界处形成p-n结，当外部电压施加在LED的p-n结上时，p区内的空穴和n区内的电子会被分别迁移到对方区域，形成载流子注入。当注入的空穴和电子在p-n结内相遇时，它们便会发生复合，在复合时，空穴和电子会释放能量，这些能量会以光子的形式辐射出来。辐射的光子能量与半导体材料的禁带宽度有关，能量决定了光的颜色。
（2）特征参数：①工作电压：需要施加在LED正负极之间的电压，不同类型和颜色的LED具有不同的工作电压，通常在几十毫伏到几伏之间；
②发光强度：一般用输出光功率表示，用来描述LED的亮度，还可用光通量来表示；
③发光波长：LED发出的光波的光谱范围。
④角度分布：反映了LED发出的光的空间辐射特性，描述了光的辐射范围和方向性。
⑤响应时间：反映电流变化时，LED发出的光的响应速度。
（3）主要应用：照明、显示屏、指示灯、光通信、生物医疗等。
（课后题）简述半导体探测器的工作原理、特征参数、主要应用******
答：（1）工作原理：当光子进入半导体材料时，它们与半导体中的电子发生相互作用，包括光电效应、光吸收、电子空穴对生成等。入射光子的能量被吸收后转移到半导体中电子上，使其跃迁到导带，或使价带中的空穴移动，产生电子-空穴对。生成的电子和空穴在半导体中自由移动，在外加电场作用下定向移动形成电流。生成的微弱电信号经过外部电路实现放大处理。
（2）特征参数：
①量子效率：将入射辐射转换为电信号的能力，用转换为电信号的能量与入射辐射总能量的百分比表示；
②噪声：探测器中产生的非期望信号，通常表现为信号中的随机波动；
③灵敏度：指探测器对入射辐射的响应程度；
④动态范围：指探测器能够测量的最小和最大信号之间的范围；
⑤工作温度范围：指探测器能够正常工作的温度范围。
（3）主要应用：光电探测、光谱分析、光学成像、医学影像等。
（课后题）简述半导体调制器的工作原理、特征参数、主要应用*******
答：（1）工作原理：半导体调制器利用电光效应实现光信号的调制，电光效应是指在半导体材料在电场作用下，折射率发生变化，进而改变光在材料中的传播速度和相位。调制器通常施加外部电压或电流到半导体材料上，从而改变材料的折射率后改变光波导的传播特性。
（2）特征参数：
①调制带宽：指调制器能够传输的最高调制频率；
②调制深度：指调制器能够调制光信号的最大强度变化量；
③插入损耗：指通过调制器时引入的光损耗；
④驱动电压：指调制器实现特定调制效果的电压；
⑤调制速度：指调制器的响应时间或调制速率；
⑥色散：指光信号在传输过程中由于频率依赖的折射率引起的信号畸变。
（3）主要应用：光纤调制/解调器、光电调制阵列、光纤传感、光学干涉仪、光学调制成像、光学存储技术等。
（课后题）简述半导体激光器的工作原理、特征参数、主要应用
答：（1）工作原理：在P型半导体和N型半导体之间加入激光介质活性层，通过外部电源施加电压，使得P端和N端形成正向偏置，使电流从P端注入到N端。这样，电子从N端注入活性层，空穴从P端注入活性层，二者在活性层中相遇并复合，产生光子。活性层周围有两个反射性边界，形成谐振腔，使光在腔内来回反射，经过多次反射，与注入到活性层的载流子发生相互作用，产生受激辐射，导致光子数目呈指数级增加。其中一个反射边界部分透明，用来使激光光束从器件中逸出。
（2）特征参数：
①波长：输出激光的波长范围；
②输出功率：输出光束的能量或强度；
③光束质量：描述了激光器输出光束的空间特性，它衡量了光束的聚焦性和束腰直径，用因子表示，越小说明激光的质量越好；
④谱线宽度：指激光器输出光的频率范围，它描述了激光的单色性和频率稳定性；
⑤模式数量：单模光束具有较窄的光束宽度和较高的光束质量，多模光束具有较宽的光束宽度和较差的光束质量；
⑥量子效率：指激光器将注入的电能转换为光能的能力，表示了激光器的能源利用率；
⑦阈值电流：指激光器开始产生激光输出所需的最低注入电流。
（3）主要应用：光纤通信、激光打印、光存储、医疗手术、激光雷达和测距、光学传感、军事装备等。
简述激子的概念，并说明激子在半导体中如何变化
答：当时，价带中的电子受激发后虽然跃迁出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，因此仍然受到空穴的库仑力作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚结合在一起而成为一个新系统，这种系统成为激子。激子产生的光吸收称为激子吸收。激子产生后不会停留在原处，可以在整个晶体中运动，但不形成光电流。
激子消失的途径有哪些？
答：①热激发或其他能量的激发使其分离为电子和空穴；
②电子和空穴复合释放出能量，发射光子或同时发射光子和声子。
四大器件原理图
（1） 半导体发光二极管
（2） 半导体光电探测器
（3） 半导体调制器
（4） 半导体激光器