2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——光電子在光電子學(xué)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪種效應(yīng)是光電子學(xué)中內(nèi)光電效應(yīng)的基本物理過程？(A)光照射金屬表面導(dǎo)致電子逸出(B)光照射半導(dǎo)體材料使載流子濃度增加(C)光照射絕緣體使其導(dǎo)電性暫時增強(qiáng)(D)光能直接轉(zhuǎn)化為熱能2.在光電二極管的工作原理中，為了增大內(nèi)部電場，通常采用的結(jié)構(gòu)是？(A)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸(B)在P型半導(dǎo)體中摻雜高濃度的N型雜質(zhì)(C)在N型半導(dǎo)體中摻雜高濃度的P型雜質(zhì)，形成PN結(jié)，并利用耗盡層作為內(nèi)電場區(qū)(D)在PN結(jié)附近制作一層摻雜濃度遠(yuǎn)高于兩側(cè)的摻雜層3.與普通LED相比，激光二極管的主要特點之一是？(A)發(fā)光光譜范圍更寬(B)發(fā)出的光束發(fā)散角更大(C)具有受激輻射特性，能夠產(chǎn)生相干光，光束發(fā)散角小(D)發(fā)光效率通常更低4.光纖通信中，導(dǎo)致光信號傳輸衰減的主要因素之一是？(A)光在光纖界面處的反射損失(B)光纖材料的吸收損耗和散射損耗(C)外界電磁場的干擾(D)光纖連接點的機(jī)械損傷5.光電倍增管（PMT）與普通光電二極管相比，其主要優(yōu)勢在于？(A)對可見光響應(yīng)范圍更寬(B)能夠探測極微弱的光信號，并具有很高的內(nèi)部增益(C)制造工藝更簡單，成本更低(D)適用于所有類型的光譜區(qū)域6.LED發(fā)光的物理基礎(chǔ)是？(A)晶體管的放大作用(B)半導(dǎo)體PN結(jié)在正向偏置下，電子與空穴復(fù)合時釋放光子(C)壓電效應(yīng)(D)磁致伸縮效應(yīng)7.在半導(dǎo)體中，載流子復(fù)合的方式主要有哪些？請列舉兩種。(答對兩種即可)8.光纖的數(shù)值孔徑（NA）主要決定什么？(A)光纖的傳輸損耗(B)光纖的帶寬(C)光纖能接受和傳輸光線的角度范圍(D)光纖中光信號的速度9.光纖傳感器的主要優(yōu)勢之一是？(A)響應(yīng)速度快(B)可以實現(xiàn)非接觸式測量(C)測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)(D)成本低廉10.太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的基本原理是？(A)霍爾效應(yīng)(B)法拉第電解定律(C)光電效應(yīng)（如光生伏特效應(yīng)）(D)奧斯特實驗現(xiàn)象二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.當(dāng)光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)的P區(qū)時，若光子能量大于禁帶寬度，光子會被吸收，導(dǎo)致P區(qū)產(chǎn)生額外的__________和空穴。2.光電二極管在反向偏置下工作，其主要探測的是__________電流。3.激光器產(chǎn)生激光的三個必要條件是：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、__________和光學(xué)諧振腔。4.光纖通信中，色散會導(dǎo)致光脈沖在長距離傳輸后發(fā)生__________，影響傳輸速率。5.LED的發(fā)光顏色主要由所用半導(dǎo)體材料的__________決定。6.光敏電阻是利用__________效應(yīng)制成的光電探測器件。7.光纖的傳輸損耗主要來自于材料吸收、瑞利散射和__________損耗。8.光電效應(yīng)中，逸出光電子的最大初動能與入射光頻率成__________關(guān)系。9.白光LED通常采用__________（請?zhí)顚懸环N具體技術(shù)，如：藍(lán)光芯片+紅綠光芯片混合、熒光粉轉(zhuǎn)換等）或__________（請?zhí)顚懥硪环N具體技術(shù)）等方式實現(xiàn)。10.光電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括__________（請列舉一例，如：醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像、拉曼光譜分析等）。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的區(qū)別。2.簡述PIN光電二極管和APD（雪崩光電二極管）的工作原理的主要區(qū)別，并說明APD為何需要較高的偏壓。3.簡述光纖通信系統(tǒng)中，使用光波作為信息載體的主要優(yōu)勢。四、計算題（每題10分，共20分）1.一塊本征半導(dǎo)體硅（禁帶寬度Eg=1.12eV），受到波長為500nm的單色光照射。計算：(1)該光子的能量是多少？(2)若光子能量被半導(dǎo)體吸收，能否產(chǎn)生電子-空穴對？請說明理由。（普朗克常數(shù)h=6.63x10^-34J·s，光速c=3x10^8m/s）2.一個光電二極管，其內(nèi)阻為1MΩ，在波長為600nm的光照射下，測得反向飽和電流為1nA。若此時入射光強(qiáng)增加為原來的4倍，求此時流過光電二極管的電流是多少？（假設(shè)光照強(qiáng)度變化僅影響光電流，不顯著影響暗電流）---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.B6.B7.(a)復(fù)合（輻射）、(b)復(fù)合（非輻射）8.C9.C10.C二、填空題1.電子2.光3.受激輻射4.展寬5.能帶結(jié)構(gòu)（或帶隙寬度）6.光電導(dǎo)7.模式（或彎曲）8.正比9.(a)藍(lán)光芯片+紅綠光芯片混合；(b)熒光粉轉(zhuǎn)換10.醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像三、簡答題1.解析思路：區(qū)分內(nèi)外光電效應(yīng)的關(guān)鍵在于是否需要光照源以及電子是否克服金屬勢壘。*外光電效應(yīng)：需要在光照射下發(fā)生，且光電子需要獲得足夠的能量（光子能量）克服金屬的逸出功才能逸出表面。如光電倍增管。*內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在半導(dǎo)體中，無需外部強(qiáng)電場（只需光照射），半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，若產(chǎn)生的電子-空穴對在電場作用下分離，則形成光電流。如光電二極管。2.解析思路：比較PIN和APD的結(jié)構(gòu)和工作原理差異。PIN結(jié)構(gòu)簡單，利用耗盡層內(nèi)電場加速光電子，無倍增。APD結(jié)構(gòu)在PN結(jié)基礎(chǔ)上增加高摻雜的P+層，形成Avalanche區(qū)，利用強(qiáng)電場使電荷載流子在渡越Avalanche區(qū)時發(fā)生碰撞電離，實現(xiàn)雪崩倍增。*主要區(qū)別：APD具有高摻雜的P+層和雪崩倍增效應(yīng)。*APD需高偏壓：因為雪崩倍增需要在非常高的電場（強(qiáng)反向偏壓下形成的耗盡層電場）作用下才能實現(xiàn)，低偏壓時倍增效應(yīng)不明顯。3.解析思路：從信號傳輸、抗干擾、帶寬、傳輸距離等方面闡述光波的優(yōu)勢。*優(yōu)勢：*頻率高，帶寬極大，信息容量大。*電磁波，在真空中及理想介質(zhì)（光纖）中傳輸幾乎不受電磁干擾。*傳輸損耗相對較低（尤其在中長距離），可實現(xiàn)高速率、長距離通信。*光纖尺寸小、重量輕、可撓性好，便于鋪設(shè)和維護(hù)。四、計算題1.解析思路：(1)用普朗克公式計算光子能量E=hν。其中頻率ν=c/λ。(2)比較光子能量E與半導(dǎo)體禁帶寬度Eg的大小。若E>Eg，則能產(chǎn)生電子-空穴對。*(1)光子能量E=hν=hc/λ=(6.63×10?3?J·s)×(3×10?m/s)/(500×10??m)=3.978×10?1?J≈2.48eV（注意單位換算：1eV=1.602×10?1?J）*(2)比較E(≈2.48eV)和Eg(1.12eV)。因為E>Eg，所以該光子能量足以被硅吸收，并產(chǎn)生電子-空穴對。2.解析思路：光電二極管在反向偏置下，總電流近似等于光電流與暗電流之和。光照強(qiáng)度增加，光電流成正比增加。暗電流通常很小且相對穩(wěn)定。假設(shè)光照強(qiáng)度增加n倍，光電流也增加n倍。則新總電流=新光電流+暗電流=n×(原光電流)+暗電流。用比例關(guān)系計算。*原總電流I?=Iph+Id(Iph為原光電流，Id為暗電流，Id≈1nA)*新總電流I=(4×Iph)+Id*新電流I=4Iph+1nA*由于I?=Iph+1nA，可得Iph=I?-1nA*代入得I=4(I?-1nA)+1nA=4I?-4nA+1nA=4I?-3nA*原電流I?=1nA，所以新電流I=4(1nA)-3nA=1nA