Физические основы оптоэлектроники
для специальностей 071700, 201100
Давыдов В.Н.
Томск-2004

Зонная теория твердого тела.

№ 1
Для объяснения каких свойств твердых тел применяют зонную диаграмму?
• Энергетическую диаграмму применяют для объяснения оптических и электрических свойств кристаллов.

№ 2
Почему для объяснения электрических свойств твердых тел не применяют модель электропроводности газов?
• В модели электропроводности газов и ионы, и свободные электроны рассматриваются как классические частицы. В кристалле же ионы и свободные электроны рассматриваются как квантовые частицы.

№ 3
Какова физическая модель кристалла в теории Зоммерфельда?
• В теории Зоммерфельда атомы являются квантовыми системами с дискретным набором разрешенных энергий, а электроны в межатомном пространстве – классическими частицами.

№ 4
Каково принципиальное отличие физической модели кристалла в теории Блоха от модели кристалла, принятой в теории Зоммерфельда?
• По теории Зоммерфельда электроны движутся в решетке кристалла как свободные частицы, а в теории Блоха свободные электроны движутся, испытывая действие периодического поля от ионов решетки.

№ 5
В чем принципиальное отличие зонных спектров кристалла в приближении Зоммерфельда и Блоха?
• Зонный спектр по Блоху дает значения энергий для свободных электронов в виде чередующихся полос разрешенных энергий и запрещенных, а модель Зоммерфельда дает непрерывный спектр значений энергии.

№ 6
В каких случаях физическая картина электропроводности кристаллов по Блоху не отличается от картины, получаемой в модели Зоммерфельда?
• Картины электропроводности кристаллов по модели Зоммерфельда и модели Блоха дают одинаковые результаты, если рассматриваемые кристаллы являются щелочными металлами.

№ 7
В чем различия зонных спектров кристаллических диэлектриков, кристаллических полупроводников и металлов?
• Зонные спектры металлов, полупроводников и диэлектриков отличаются только шириной зон запрещенных энергий.

№ 8
Каковы причины появления свободных электронов в зоне проводимости собственного (нелегированного) полупроводника?
• Свободные электроны могут появиться в зоне проводимости за счет тепловой ионизации атомов вещества полупроводника.

№ 9
Как отсчитываются энергии свободных электрона и дырки в полупроводнике на энергетической диаграмме?
• Энергия электронов отсчитывается вверх, а дырок - вниз.

№ 10
Можно ли диэлектрик сделать полупроводником?
• Можно, если нагреть диэлектрик до высоких температур, когда станет заметной тепловая генерация электронов и дырок.

Основные понятия теории твердого тела.

№ 11
В чем отличие квазиимпульса электрона от импульса классической частицы?
• Квазиимпульс электрона является дискретной величиной, а импульс классической частицы – непрерывной.

№ 12
Какова причина дискретизации значений квазиимпульса электрона в твердом теле?
• Дискретность значения квазиимпульса электрона в твердом теле обусловлена необходимостью образования стоячей волны, с помощью которой описывается поведение электрона в твердом теле.

№ 13
По какой причине существует верхний предел значения квазиимпульса электрона в твердом теле?
• Верхний предел в изменении квазиимпульса электрона обусловлен существованием минимальной длины волны, с помощью которой описывается поведение электрона в твердом теле.

№ 14
Что такое “зона Бриллюэна” в полупроводнике?
• Это часть k- пространства, в пределах которой может изменяться квазиимпульс электрона.

№ 15
Что такое “энергетическая долина полупроводника”?
• Это область допустимых значений энергии электронов в зоне проводимости полупроводника при изменении его квазиимпульса.

№ 16
Какой полупроводник называется “прямозонным полупроводником”?
• Полупроводник, у которого минимум энергетической долины в зоне проводимости совпадает с максимумом энергетической долины в валентной зоне.

№ 17
Какой полупроводник называется “непрямозонным полупроводником”?
• Полупроводник, у которого минимум энергетической долины в зоне проводимости не совпадает с максимумом энергетической долины в валентной зоне.

№ 18
Как определить вероятность заполнения электронами уровня с заданным значением энергии?
• Воспользоваться статистикой Ферми-Дирака.

№ 19
Как видоизменяется энергетическая диаграмма полупроводника при его помещении в постоянное однородное электрическое поле?
• При помещении в электрическое поле величины энергетических зазоров на энергетической диаграмме полупроводника не изменяются, но зонная диаграмма наклоняется на угол, определяемый величиной приложенного поля.

№ 20
Какова физическая причина туннельного пробоя полупроводника?
• Туннельный пробой возникает в полупроводниках при приложении к ним сильного электрического поля из-за конечной вероятности перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости без изменения значения своей энергии.

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом.

№ 21
• Коэффициент отражения показывает, какая часть падающего оптического излучения отражается от поверхности данного тела во всем телесном угле.

№ 22
• Коэффициент поглощения показывает, на какой глубине от облучаемой поверхности полупроводника мощность падающего оптического излучения уменьшается в 2.7 - раза.

№ 23
• Спектр отражения характеризует спектральный состав отраженного излучения при падении на полупроводник излучения заданной мощности и длиной волны от нуля и до бесконечности.

№ 24
• Спектр поглощения характеризует спектральный состав поглощенного излучения при падении на полупроводник излучения заданной мощности и длиной волны от нуля и до бесконечности.

№ 25
Что описывает закон Бугера-Ламберта в полупроводниках?
• Он описывает закон изменения количества непоглощенных фотонов по мере удаления от обучаемой поверхности.

№ 26
• Собственное поглощение основано на поглощении фотонов атомами основного вещества и представляет собой ионизацию атомов полупроводника с образованием электронно-дырочной пары.

№ 27
• Примесное поглощение основано на поглощении фотонов атомами примеси и представляет собой ионизацию примесных атомов с образованием носителя заряда одного знака.

№ 28
• Решеточное поглощение обусловлено поглощением фотонов ионами и атомами основного вещества полупроводника, находящимися в узлах кристаллической решетки.

№ 29
• Поглощение на свободных носителях заряда происходит в результате столкновения фотона и свободного носителя с передачей последнему всего импульса фотона.

№ 30
• Внутризонное поглощение происходит при столкновении фотона со свободными носителями заряда, акустическими и оптическими фононами решетки полупроводника, а также ионами примеси в результате которого изменяется энергетическое состояние свободного носителя заряда.

Фотопроводящие эффекты в полупроводниках.

№ 31
Время жизни неравесновесных электронов в полупроводнике -
• равно времени пребывания их в зоне проводимости от момента рождения до момента рекомбинации с дыркой.

№ 32
Время жизни неравновесных дырок в полупроводнике -
• равно времени пребывания их в валентной зоне от момента рождения до момента рекомбинации с электроном.

№ 33
Скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда -
• количество прорекомбинировавших электронов или дырок за единицу времени.

№ 34
Скорость генерации неравновесных носителей заряда -
• количество созданных электронов или дырок за единицу времени.

№ 35
Фотопроводимость полупроводников -
• изменение его проводимости, вызванное освещением.

№ 36
Основная причина возникновения фотопроводимости в полупроводнике -
• изменение числа электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, вызванные освещением полупроводника.

№ 37
Время релаксации фотопроводимости -
• это время, в течение которого величина фотопроводимости изменяется в 2.7 раза при включении или выключении оптического излучения.

№ 38
Каковы основные отличия собственной фотопроводимости от примесной фотопроводимости?
• Cобственная фотопроводимость создается неравновесными носителями заряда, образованными в результате поглощения излучения из собственной полосы поглощения, а примесная фотопроводимость – из примесной полосы поглощения.

№ 39
Коэффициент усиления фотопроводимости в полупроводниках -
• показывает, сколько раз неравновесные электроны и дырки принимают участие в фотопроводимости полупроводника, пробегая по его длине за время своей жизни.

№ 40
По какому закону спадает фотопроводимость после выключения источника генерации неравновесных носителей заряда?
• Закон изменения фотопроводимости полупроводника после выключения света является экспоненциальным.

Фотовольтаические эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах.

№ 41
Фотовольтаическими эффектами в полупроводнике называют фотоявления, в результате протекания которых на концах образца возникает напряжение, пропорциональное мощности падающего оптического излучения.

№ 42
Фотоэдс возникает по причине наличия в полупроводнике диффузии неравновесных носителей заряда от места их генерации.

№ 43
Фотоэдс Дембера возникает в результате пространственного разделения неравновесных электронов и дырок за счет их различных подвижностей.

№ 44
Фотоэдс Кикоина-Носкова возникает в однородных полупроводниках из-за разделения неравновесных носителей заряда внешним магнитным полем.

№ 45
Неоднородная фотоэдс возникает в полупроводниках, имеющих градиент распределения темнового сопротивления в объеме.

№ 46
Причиной возникновения барьерной фотоэдс является наличие встроенного электрического поля p-n перехода, которое разделяет неравновесные носители заряда.

№ 47
В основе работы лавинного фотодиода лежит явление лавинного размножение сгенерированных светом носителей заряда в полупроводнике при действии сильного электрического поля.

№ 48
Эффект фотонного давления представляет собой увлечение свободных носителей заряда в полупроводнике в направлении его освещения.

№ 49
Что необходимо предпринять для увеличения барьерной фотоэдс?
• Увеличить уровни легирования p- и n- областей и увеличить мощность падающего излучения.

№ 50
Как ведут себя свободные электрон и дырка при помещении полупроводника в постоянное магнитное поле?
• Электрон и дырка в постоянном магнитном поле совершают вращение вокруг силовых линий магнитного поля так, что электрон вращается по часовой стрелке, а дырка – против часовой, если смотреть в направлении магнитного поля.

Флуктуационные процессы в полупроводниках.

№ 51
Каковы основные причины возникновения шума в полупроводниках?
• Шумы в полупроводниках возникают из-за случайного характера всех процессов, протекающих в нем.

№ 52
Какова природа теплового шума?
• Это шум, вызванный случайным характером движения электронов в объеме полупроводника.

№ 53
Какова природа дробового шума?
• Дробовой шум образуется из-за флуктуаций числа частиц, находящихся области их регистрации.

№ 54
Какова природа генерационно-рекомбинационного шума в полупроводниках?
• Генерационно-рекомбинационный шум возникает из-за статистического характера скорости протекания процессов генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводнике.

№ 55
Каков основной механизм формирования избыточного шума в полупроводниковых приборах?
• Этот вид шума образуется в результате случайного характера захвата носителей заряда на поверхности полупроводника.

№ 56
Какими параметрами описывается амплитуда шумового процесса?
• Амплитуда случайного процесса равна квадратному корню из дисперсии случайной величины.

№ 57
Что описывает автокорреляционная функция случайного процесса?
• Автокорреляционная функция определяет степень влияния значения случайной величины в данный момент времени на ее величину в последующие моменты времени.

№ 58
Что описывает дисперсия случайного процесса?
• Дисперсия случайного процесса определяет среднюю амплитуду флуктуации случайного процесса.

№ 59
Как на практике измерить спектральную плотность случайного процесса?
• Cпектральная плотность случайного процесса может быть определена экспериментально, если измерить дисперсию случайной величины после выделения составляющей случайного процесса на конкретной частоте.

№ 60
Как на практике измерить дисперсию случайного процесса?
• Дисперсия случайного процесса может быть непосредственно измерена экспериментально с помощью квадратичного детектора и последующего извлечения квадратного корня из результата детектирования.

Эмиссия излучения из твердых тел.

№ 61
С помощью каких параметров описывается процесс излучения твердым телом электромагнитного излучения?
• Процесс излучения характеризуется параметром внутренней квантовой эффективности излучения и внешней квантовой эффективности излучения.

№ 62
С помощью какой зависимости характеризуют излучательную способность твердого тела?
• Излучательную способность твердого тела характеризуют с помощью зависимости мощности излучения от длины волны испускаемого излучения.

№ 63
В чем сущность в твердом теле сдвига Франка-Кордона?
• Сдвиг Франка-Кордона представляет собой смещение по длине волны спектра поглощения и спектра излучения твердого тела.

№ 64
Как зависит время излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда от уровня легирования объема полупроводника?
• Время излучательной рекомбинации уменьшается с ростом концентрации как донорной, так и акцепторной примесей.

№ 65
Что такое вынуженное излучение атома?
• Это излучение, которое излучает атом при воздействии на него фотона с энергией кванта, равной энергетическому интервалу между возбужденным и основным состояниями.

№ 66
Что такое вынужденное поглощение излучения атомом?
• Это поглощение, которое происходит только тогда, когда на атом воздействует фотон с энергией, равной энергетическому интервалу между возбужденным и основным состояниями атома.

№ 67
Каков закон изменения интенсивности спонтанного излучения твердым телом со временем после выключения источника накачки?
• Интенсивность уменьшается со временем по экспонециальному закону с постоянной времени, определяемой вероятностью спонтанного перехода.

№ 68
Какова физическая природа инверсии населенности в лазерах?
• Физическая сущность инверсии населенности заключается в том, что на верхних энергетических уровнях концентрация атомов выше, чем это следует из распределения Максвелла-Больцмана.

№ 69
Какой длины должен быть оптический резонатор лазера, генерирующего оптическое излучение длиной волны #mathlamda?
• На его длине должно уложиться целое число полуволн генерируемого излучения, измеренных в активном веществе лазера: mλ / (2√ε).

№ 70
Для каких целей применяется накачка в лазерах?
• Накачка необходима для создания инверсии населенности в активном веществе лазера.

Жидкие кристаллы в оптоэлектронике.

№ 71
Перечислите основные типы жидких кристаллов, используемых в оптоэлектронике.
• Нематики, смектики, холестерики.

№ 72
С помощью каких параметров характеризуется структурное состояние жидких кристаллов?
• Cтруктурное состояние жидких кристаллов характеризуют директором, параметром порядка.

№ 73
Каков физический смысл директора в жидком кристалле?
• Директор – это единичный вектор направления преимущественной ориентации длинных осей молекул жидкого кристалла.

№ 74
Каков физический смысл параметра порядка в жидком кристалле?
• Параметр порядка в жидком кристалле численно характеризует степень отклонения длинных осей молекул жидкого кристалла от направления, заданного директором.

№ 75
Как расположены молекулы нематика в объеме жидкого кристалла?
• Молекулы нематика параллельны друг другу и не образуют слои жидкого кристалла.

№ 76
Как расположены молекулы смектика в объеме жидкого кристалла?
• Молекулы смектика параллельны друг другу и образуют слои жидкого кристалла.

№ 77
Как расположены молекулы холестерика в объеме жидкого кристалла?
• Молекулы холестирика параллельны друг другу и образуют спираль в объеме жидкого кристалла.

№ 78
Как создать требуемую ориентацию молекул нематика в планарной оптической ячейке?
• Для создания требуемой ориентации молекул нематика в планарной оптической ячейке необходимо опорные поверхности ячейки отшлифовать в одном направлении.

№ 79
Как создать требуемую ориентацию молекул нематика в гомеотропной оптической ячейке?
• Для создания требуемой ориентации молекул нематика в гомеотропной ячейке необходимо опорные поверхности ячейки обработать в растворе поверхностно активного вещества.

№ 80
Каков физический смысл электрической когерентной длины в жидком кристалле?
• Электрическая когерентная длина- это расстояние, на которое распространяется ориентирующее влияние внешнего электрического поля, приложенного к опорным поверхностям оптической ячейки.

Поведение жидких кристаллов во внешних полях.

№ 81
Какой эффект приводит к изменению ориентации длинных осей молекул нематика в слабом электрическом поле?
• Изменение ориентации длинных осей молекул нематика в слабом электрическом поле вызывает переход Фредерикса.

№ 82
Какова физическая причина возникновения в нематике доменов Капустина-Вильямса?
• Домены Капустина-Вильямса возникают в нематике из-за существования ионной проводимости жидкого кристалла в электрическом поле.

№ 83
Что происходит с холестерической спиралью в электрическом поле?
• Холестерическая спираль в электрическом поле распрямляется.

№ 84
Какова особенность динамического рассеяния света в холестериках по сравнению с динамическим рассеянием в нематиках?
• Динамическое рассеяние света в холестериках обладает эффектом памяти, а в нематиках этого эффекта нет.

№ 85
Как стереть структурное состояние холестерика, записанное в режиме динамического рассеяния света?
• K нему необходимо приложить переменное электрическое поле выше порога образования динамического рассеяния света.

№ 86
Каким параметром характеризуют анизотропию оптических свойств жидких кристаллов?
• Анизотропию оптических свойств жидких кристаллов характеризуют разностью значений диэлектрической проницаемости, измеренной вдоль и поперек длинных осей молекул.

№ 87
Что собой представляет S-эффект в нематике?
• S-эффект - это переход Фридерикса из планарной ориентации директора в гомеотропную при Δε>0.

№ 88
Что собой представляет В-эффект в нематике?
• В-эффект - это переход Фридерикса из гомеотропной ориентации директора в планарную при Δε<0.

№ 89
Что собой представляет Т-эффект в нематике?
• Т-эффект - это переход Фридерикса в планарной оптической ячейке с Δε>0, где в исходном состоянии директор закручен на угол 90°.

№ 90
Что собой представляет эффект “гость-хозяин”?
• Это эффект изменения цвета оптической ячейки за счет введения красящего вещества типа “дихроик”.

Приборы оптоэлектроники и принципы их работы.

№ 91
Как сформировать диффузионный p-n переход и как определить высоту потенциального барьера на границе раздела областей?
• Диффузионный p-n переход изготавливается путем диффузионного легирования образца n-типа с концентрацией N_d акцепторной примесью с концентрацией заданной величины N_a. Высота формируемого потенциального барьера в этом случае равна
.

№ 92
Как выглядит вольт-амперная характеристика p-n перехода и как она описывается математически?
• Вольт-амперная характеристика p-n перехода асимметрична относительно оси напряжений и описывается математически следующим выражением:
.

№ 93
Что такое фоторезистор и как описывается математически его фотопроводимость?
• Фоторезиcтор представляет собой полупроводниковый образец, проводимость которого сильно зависит от уровня освещения: Δσ = q μ_n*Δn+qμ_p*Δp.

№ 94
Как на основе p-n перехода сделать эффективный источник некогерентного излучения?
• Для получения эффективного источника некогерентного излучения необходимо p-n переход, изготовленный из полупроводника с малым временем излучательной рекомбинации, сместить внешним напряжением в прямом направлении.

№ 95
Как на основе p-n перехода сделать эффективный источник когерентного оптического излучения?
• Для получения эффективного источника когерентного излучения необходимо p-n переход с плоскополированными торцами, изготовленный из полупроводника с малым временем излучательной рекомбинации, сместить большим внешним напряжением в прямом направлении.

№ 96
Каковы основные пути снижения шумов полупроводниковых приборов?
• Понижение температуры образца, уменьшение сквозного тока через него, повышение частоты измерения шума.

№ 97
Какой из фотовольтаических эффектов целесообразно использовать для изготовления высокочувствительного детектора оптического излучения?
• Барьерную фотоэдс.

№ 98
Какой из фотовольтаических эффектов целесообразно использовать для регистрации оптического излучения высокой мощности?
• Эффект фотонного давления.

№ 99
Как на основе нематика сделать устройства отображения информации с малым напряжением питания?
• Для отображения информации необходимо использовать переход Фредерикса в оптической ячейке, на входе и выходе из которой устанавливаются параллельные или скрещенные поляроиды, а также отражающая свет пленка.

№ 100
Как на основе холестерика сделать устройство отображения температуры твердого тела?
• Для этого необходим холестерик, половина шага спирали которого лежит в диапазоне видимого света.