光电子材料与器件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）洁净（不产生废渣、废水、废气，无噪声，不影响生态）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）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（5～15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：①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②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1012-13③光伏电池的电阻率较低0.1-0.01 Ω/cm，而光电二极管则为1000Ω/cm④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 m ：2dB/km 、1.31 m ：0.5dB/km 、1.55 m ：0.2dB/km 1、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？22210sin n n n NA i -==θ2、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λ=1.31μm，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 、0.72m，峰之间的低损耗区0.85，1.30，1.55 m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（ns～us）。
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。