光电材料与器件 考试卷 B (1)

皖西学院2016–2017学年度第 1 学期考试试卷（B 卷）

级 课程

一．填空题：本大题共10小题，每空1.5分，共15分。

1． 在本征半导体中，电子浓度n 与空穴浓度p_相等_。

2． 半导体pn 结附近载流子被耗尽的区域，称为_空间电荷区_，或者耗尽区。 3． 间接带隙半导体发光效率比直接带隙半导体发光效率_低_。

4． 半导体发光二极管的外部量子效率等于__内部量子效率_与取出效率的乘积。 5． 半导体激光器出射激光的三大条件为粒子数反转、_阈值条件_与驻波条件。

6． 玻璃基质是激光重要的材料之一，与晶体基质相比，有两个重要的区别：一、玻璃的

热导率远__低__于绝大多数晶体基质材料；二、玻璃中激活离子的固有发射谱线比晶体中的宽，线宽加宽增大了激光阈值。

7． 光纤的特性参数包括_数值孔径_、相对折射率差、归一化频率、折射率分布与截止波

长。

8． 单模光纤的色散包括_材料色散_和波导色散。

9． 在非线性光学现象中，和频属于__二 __阶非线性光学效应。 10． 光敏电阻在一定的外加电压条件下，当没有光照的时候，流过的电流称为_暗电流__。 二．判断题：本大题共15小题，每小题1分，共15分。

1． GaP 是直接带隙半导体发光材料。× 2． 发光二极管的发射光谱单色性非常好，辐射光的波长只有单一的值。× 3．

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。√ 4． Nd:YAG 晶体不是激光晶体。× 5． 半导体激光器中，对PN 结施加反向偏压也能产生激光。× 6． 只要形成光放大，以及满足阈值条件就可以产生稳定出射的激光。× 7． 光纤激光器属于光纤无源器件。× 8． 光参量振荡与频率调谐技术的基本原理是非线性光学中的差频。√ 9． NaCl 晶体不是非线性光学晶体。√

10． 光纤激光器结构中，也包含有光学谐振腔。√ 11． 声光调制属于光的外调制。√

12． 光探测器件中，噪声等效功率NEP 越大，器件的探测能力越强。× 13． 光电二极管的原理为光生伏特效应。√

14． 扭曲向列相液晶显示（TN-LCD ）的电光响应非常快，可用于运动较快的画面。× 15． 光子晶体是一种折射率在空间中呈现周期性分布的物质结构，通常由两种或者两种以上的具有不同折射率的材料构成。√

三．选择题：本大题共15小题，每小题2分，共30分。

1．电子浓度低于空穴浓度的半导体是_B_。

A ．n 型半导体 B ．p 型半导体 C ．本征半导体 D ．不能确定 2．InGaN 属于_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．发光二极管做成圆顶的原因是_C__。

A ．美观 B ．改善力学性能 C ．减少全反射的影响 D ．改善热学性能 4．在阈值电流之上，半导体激光器出射激光功率与所加电流呈B_关系。

A ．二次函数 B ．线性 C ．指数 D ．对数 5．光纤的损耗不包括_C_。

A ．吸收损耗 B ．散射损耗 C ．插入损耗 D ．弯曲损耗 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（1X4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 、1mW 、1mW 。则该光纤耦合器各端口分光比分别为_D_。

A ．35%，20%，35%，10% B ．20%，50%，10%，20% C ．15%，45%，20%，20% D ．40%，40%，10%，10% 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 ．光纤放大器 C ．光纤耦合器 D ．光波分复用器 9．以下是光纤通讯窗口的波长是_D_。

A ．500nm B ．700nm C ．1000nm D ．1550nm 10．光开关可分为___A_三类。

A ．机械式光开关、固体式光开关、半导体光波导开关 B ．机械式光开关、固体式光开关、热电式光开关

C ．机械式光开关、热电式光开关、半导体光波导开关 D ．热电式光开关、固体式光开关、半导体光波导开关 11．下列材料中，属于非线性光学晶体的是_B__。

A ．Cu B ．KTP C ．Si D ．SiO 2 12．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．光敏电阻是光电导型器件，其工作原理为__C__。

A ．光生伏打效应 B ．光电效应 C ．光电导效应 D ．不能确定 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．发光二极管的发光原理是什么？

答：发光二极管的核心是PN 结，PN 结的P 区与N 区均为重掺杂，已形成P 区与N 区的简并分布。在未加偏置电压下，由于载流子的扩散运动，PN 结附近会形成没有电子和空穴分布的耗尽区。在PN 结附近，由于没有电子与空穴，无法通过电子-空穴对的辐射复合而产生光辐射。（如果对发光二极管施加一个U 0 ~ E g /e 正向偏置电压，耗尽层消失，P 区空穴向N 区扩散，N 区电子向P 区扩散，在PN 结附近形成一个空穴和电子同时存在的区域。电子与空穴在该区域通过辐射复合，辐射出能量约为E g 的光子。复合掉的电子和空穴由外电路驱动的电流补充，当然，同时也可能发生非辐射复合，能量以热的形式耗散。

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(n2/n1) 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

NA sin ϕ(m

)m =0m =

3．光探测器件通常分为光子器件和热电器件两大类，请问光子器件与热电器件的区别是

什么？

答：光子器件与热电器件的区别主要在于：

（1）光子器件的响应与入射光的波长有关，一般具有截止波长，入射光的波长超过截止波长时器件无响应。而热电器件的响应与波长无关，热电器件对于各种波长的光都能够响应。

光子器件响应快，从吸收辐射到产生信号需要的时间短，频率响应快。热电器件响应慢，响应时间最快为数毫秒，频率响应慢。

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．纳米光电材料主要在光学和电学性质上易于宏观光电材料的特性，这主要来源于哪些效应？并简述这些效应。

答：纳米光电材料主要在光学和电学性质上易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）小尺寸效应。因为纳米颗粒尺寸与光波波长、电子德布罗意波长等物理尺寸相近，材料的声、光、电、磁、热力学性质均发生改变。

（2）表面效应。纳米颗粒尺寸变小，表面面积增大，增加了表面态密度，不但引起材料表面原子输运和构型的变化，同时也改变了表面电子自旋构想与电子能谱。

（3）量子尺寸效应。电子在三维方向上均受到限制，电子能级表现出类似原子的离散能级结构，这使得材料的吸收特性和光发射特性均不同于宏观材料。