光电技术复习资料

“光电技术”复习资料

一、回答问题：

1、何谓光源的色温？

辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。

2、费米能级的物理意义是什么？

在绝对零度，电子占据费米能级Ef以下的能级，而Ef以上的能级是空的，不被电子占据。温度高于绝对零度时，费米能级的电子占据率为50%，比费米能级能量高得愈多的能级，电子的占据概率愈小。

3、写出辐射度量学的基本物理量，并说明它们的定义。 辐射能：以辐射的形式发射、传播或接受的能量。 辐射通量：以辐射形式发射、传播或接受的功率。

辐射强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点辐射源的辐射通量。 辐射出射度：面辐射源表面单位面积上发射的辐射通量。 辐射照度：接受面上单位面积所照射的辐射通量。

辐射亮度：辐射源表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。

光谱辐射量：辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射物理量。

4、写出光度学系统的基本物理量，并说明它们的定义。

光量：以可见光的形式发射、传播或接受的光的多少的量度。 光通量：单位时间内，以可见光的形式发射、传播或接受的光量。 光强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点光源的光通量。 光出射度：面光源表面单位面积上发射的光通量。 光照度：接受面上单位面积所照射的光通量。

光亮度：辐射源表面一点处的面元在给定方向上的光强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。

5、什么是光谱光视效率（视见函数）？

国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”光谱光视效率或光视见函数。

光谱光视效率分明视觉光谱光视效率（光强度大于3坎德拉）和暗视觉光谱光视效率（光强度小于0.001坎德拉），分别用V(?)和V?(?)表示。

一般来说，光度学量和对应的辐射度量学量之间有如下关系：

?v?Km??e(?)V(?)d?

0.390.78式中?v是光度学量，?e是对应的辐射度量学量。Km等于683 Lm/W，称为明视觉最大光

谱光视效能，它表示人眼对波长为555 nm的光辐射所产生的视觉刺激值。积分上下限表示该积分从0.39 nm到0.78 nm之间进行。

6、发光强度的单位——坎德拉，是国际单位制中七个基本单位之一。给出它的科学含义及操作性定义。

它相当于1lm的光通量均匀照射在1㎡面积上所产生的光照度 科学定义：

光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683W Sr-1时，在该方向上发光强度为1cd。 操作性定义：

在101325牛顿/平方米的压力下，处于铂凝固点温度（2024K）的绝对黑体的1/600000平方米表面沿法线方向的发光强度为1坎德拉（其亮度为60熙提，1熙提=1烛光/厘米）。

7、什么是朗伯辐射体？

在任意发射方向上辐射亮度不变的表面，即对任何θ角Le为恒定值（理想辐射表面）。朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度与该方向和表面法线之间夹角的余弦成正比。

I?I0co?s

8、写出黑体辐射的基尔霍夫定律。

所有物体的光谱辐射出射度与吸收比的比值是相同的，并等于绝对黑体的光谱辐射出射度Meb(?,T)。

9、说明维恩位移定律、斯蒂芬——玻尔兹曼定律与普朗克黑体辐射公式之间的关系。 普朗克黑体辐射公式：

4?hc34?h?3 Meb(?,T)?5hc/?kT Meb(?,T)?h?/kT

?(e?1)(e?1)（一）维恩位移定律 令：

dMeb(?,T)?0，得：?mT?d??2897?m K。这就是维恩位移定律。

（二）斯蒂芬——玻尔兹曼定律

Meb??Meb(?,T)d???T4

0?式中，???5.67?10?2W cm-2 K-4 10、写出光源的基本特性参数。 （1）辐射效率和发光效率 （2）光谱功率分布 （3）空间光强分布 （4）光源的色温 （5）光源的颜色

11、光电探测器常用的光源有哪些？

热辐射光源：太阳；白炽灯，卤钨灯；黑体辐射器（模拟黑体，动物活体）。 气体放电光源：汞灯，钠灯，氙灯，荧光灯等。 固体发光光源：场致发光灯，发光二极管等。

激光器：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器等。

12、画出发光二极管的结构图并说明其工作原理。 发光二极管的基本结构是半导体P-N结。

铝电极 工作原理：n型半导体中多数载流子是电

SiO2 子，p型半导体中多数载流子是空穴。P-N结未加电压时构成一定势垒。加正向偏压时，内

P ＋ 电场减弱，p区空穴和n区电子向对方区域的

扩散运动相对加强，构成少数载流子的注入，－ N 从而p-n结附近产生导带电子和价带空穴的背电极 复合，复合中产生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。以光能形式释放的能量就构成了发光二极管的光辐射。 题12图发光二极管的结构

13、说明发光二极管的基本特性参数有哪些。 （1）量子效率：

1）内发光效率：PN结产生的光子数与通过器件的电子数的比例。 2）外发光效率：发射出来的光子数与通过器件的电子数的比例。 （2）发光强度的空间分布：

（3）发光强度与电流关系：电压低于开启电压时，没有电流，也不发光。电压高于开启电压时显示出欧姆导通性。在额定电流范围内，发光强度与通过的电流成正比。

（4）光谱特性：发射功率随光波波长（或频率）的变化关系。 （5）响应时间：从注入电流到发光二极管稳定发光或停止电流到发光二极管熄灭所用的时间。表达了发光二极管的频率特性。

（6）寿命：亮度随时间的增加而减小。当亮度减小到初始值的e-1时所延续的时间。

14、说明半导体激光器的工作原理及特性参数

半导体P-N结是激活介质，两个与结面垂直的晶体边界构成谐振腔，当P-N结正向导通时，可激发激光，阈值电流产生激光输出所需最小注入电流。

工作电压、电流，发光功率，发光功率的空间分布，光谱范围与峰值波长，电流阈值，频率特性，寿命等。

15、场致发光有哪三种形态？各有什么特点？

16、简述光电导效应。

材料受到辐射后，电导率发生变化

17、简述PN结光伏效应（分正偏、反偏、零偏三种情况）。

是一种内光电效应，当光子产生时，能产生一个光生电动势，基于两种材料相接触形成的内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒两面三刀边，从而形成光生电动势。

18、简述光电发射效应（分金属与半导体两种情况）。

当光照射物质时，若入射光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子吸收光子的能量而逸出物质表面。

（1）第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的辐射量Φ成正比。

（2）第二定律：发射的光子最大动能随入射光子频率的增加而线性的增加，与入射光强度无关。

19、什么是负电子亲合势，它的工作原理、主要用途及优缺点。

如果给半导体的表面做特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极。 特点：1）量子效率高

2）光谱响应延伸到红外 3）热电子发射小 4）光电子的能量集中

20、探测器噪声主要有哪几种？

（1）热噪声：载流子在一定温度下做无规则热运动，载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。

（2）复合噪声：载流子产生复合瞬间有起伏。 （3）散粒噪声：随机起伏所形成的噪声。

（4）1/F噪声：噪声功率谱与频率与反比。主要由于材料表面态和内部缺陷引起电子散射而产生。

（5）温度噪声：由于器件本身吸收和传导的热交换，引起的温度起伏。

21、写出电阻热噪声的电压、电流、功率表达式。

22、何谓等效噪声带宽？

23、何谓等效噪声功率？何谓探测率？何谓归一化等效噪声功率？

如果入射到探测器的辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流Is等于噪声均方根电流时，所对应的入射辐通量Φe称为等效噪声功率NEP。等效噪声功率NEP的倒数为探测率D。

NEP常与探测器面积Ad和测量系统带宽?f的乘积的平方根成正比。为比较探测器性能，需除去Ad和?f的影响，用归一化参数表示。

D??DAd?f 24、何谓“白噪声”？何谓“

1噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？ f

25、说明光电导器件、PN结光电器件和光电发射器件的禁带宽度和截止波长之间的关系。

26、常用的光电阴极有哪些？各有何特点？ （1）银氧铯Ag-O-Cs光电阴极

（2）单碱锑化物光电阴极，在可见短波区和近紫外区响应率最高 （3）多碱锑化物光电阴极，耐高温

（4）紫外光电阴极：只对探测的紫外信号灵敏

（5）负电子亲和势光电阴极：量子效率高，光谱响应延伸到红外，势电子发射小，光电子能量集中

27、简述光电倍增管的工作原理。 光电倍增管工作原理：

1）光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。

2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。

3）光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次方倍。

4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。

28、光电倍增管的特性参数？

灵敏度、增益、暗电流、噪声、伏安特性、线性、漂移与滞后、时间响应、温度特性、磁场特性与空间均匀性等。

29、实践中，我们采取什么措施以降低光电倍增管的暗电流与噪声？ 减少暗电流的方法： 1）直流补偿

2）选频和锁相放大 3）制冷

4）电磁屏蔽法 5）磁场散焦法

30、实践中，我们采取什么措施以保证光电倍增管的线性与增益稳定性？

31、光电倍增管中的倍增极有哪几种结构？主要特点各是什么？

32、端窗式光电倍增管的光电阴极做成球面有何优点？

33、解释光电导增益。

光电导增益是表征光敏电阻特性的一个重要参数，它表示长度为L的光电导体两端加上电压后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之间的比值。

34、什么是前历效应？它对我们的测量工作有何影响？

35、说明光敏电阻的几种基本偏置电路。

36、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？他们应工作在哪种偏置

状态？

37、如果硅光电池的负载是RL，画出它的等效电路图，写出流过负载RL的电流方程及VOC、ISC的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。

38、硅光电池的开路电压为VOC，当照度增大到一定值后，为什么不再随入射照明的增加而增大，只是接近0.6V？在同一照度下，为什么加负载后输出电压总是小于开路电压？

39、硅光电池的开路电压VOC为何随温度上升而下降？

40、硅光电池的负载取何值时输出功率最大？如何确定？在什么条件下可将它看做恒压源使用？

41、ZDU型光电二极管设环极的目的是什么？画出正确的线路图。使用时环极不接是否可用？为什么？

42、一维光电位置探测器是如何测量光点位置的？写出测量方程。

43、说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。并说明为什么它们的频率特性比普通光电二极管好？

44、雪崩光电二极管的保护环起什么作用？

45、达通型雪崩光电二极管结构上有什么特点？使用这种结构的优点是什么？

46、什么是半导体色敏器件，它是依据什么原理来工作的？

半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用结深不同的p-n结光电二极管对各种波长的光谱灵敏度的差别，实现对光源或物体的颜色测量

半导体色敏器件的工作原理：由在同一块硅片上制造两个深浅不同的p-n结构成（浅结为PD1，它对波长短的光电灵敏度高，PD2为深结，它对波长长的光电灵敏度高），这种结构又称为双结光电二极管，通过测量单色光的波长，或者测量光谱功率分布与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色，当用双结光电二极管作颜色测量时，一般是测出此器件中两个硅光电二极管的短路电流比与入射光波长的关系，每一种波长的光都对应于一短路电流比值，再根据短路电流比值的不同来判断入射光的波长以达到识别颜色的目的。

47、什么是光电耦合器件？它分为哪两类，特点是什么？各有何用途？

48、光电二极管的基本特性有哪些？（量子效率，光照特性，伏安特性，温度特性，频率特性）

49、光电耦合器件的基本特性有哪些？（隔离性、电流传输比?、频率特性、输入——输出电特性、输入——输出绝缘特性） 光电耦合器件的基本特性：

（1）隔离特性（2）电流传输比（3）频率特性（4）增益（5）等效背景照度（6）分辨率

50、说明象管的主要结构和特性参量（光谱响应特性与光谱匹配特性、增益、等效背景照度、分辨率）。

51、常用象增强器有哪几种，各有何特点？

52、说明象管、摄像管的工作原理和特点、用途。

53、说明CCD的电荷存储与移动（耦合）原理。

54、说明CCD的特性参数（电荷转移效率、工作频率、电荷存储容量、噪声）。

55、CCD器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉冲上下限受到哪些条件的限制？应如何估算？

56、简述光电二极管的电荷存储工作原理。它与连续工作方式相比有什么特点？

57、自扫描光电二极管列阵SSPD由哪几部分组成，画出其电路框图，并简述其工作原理。

58、SSPD中产生开关噪声的原因是什么?怎样才能减少开关噪声？

59、比较SSPD与CCD的主要优缺点。

60、什么是热探测器？它与其它光电器件相比具有哪些特性？

61、已知一热探测器的热时间常数为?t，热容Ct，热导Gt，求当调制辐射频率f变化时，探测器温升的相对变化规律。

62、热电偶或热电堆探测红外辐射时开路和闭路情况热端温升是否相同？说明之。

63、热释电效应应如何理解？为什么热释电效应只能探测调制辐射？

64、用什么措施来降低热探测器和光子探测器的背景限？

65、HgCdTe（汞镉碲）探测器为什么能改变其峰值波长？为什么峰值波长越长，要求工作温度越低？

66、常用的热探测器有哪几种？都是用什么原理工作的？ （1）、热敏电阻与测辐射热计； （2）、热电偶与热电堆； （3）、热释电器件； （4）、高莱管。

67、常用的光子探测器有哪几种？都是利用什么原理工作的？

68、哪些光电器件应工作于平衡态？哪些光电器件只能在非平衡态下工作？为什么？

69、列出你所知道的所有的光电探测器件，并将它们按探测原理进行分类。

70、什么是驰豫过程，光电驰豫过程的长短用什么来描述？驰豫过程对光电器件的什么特性影响最大？

71、常用的光电材料都是半导体材料，为什么？光电灵敏度与半导体材料的什么特性有关？

72、接触电势差由什么决定？能否由电压表（或静电电位计）加以测量？

73、PN结电容由什么决定？写出PN结电容方程。

74、写出光照下PN结的电流方程。

75、为什么光电阴极一般都用P型半导体作为基底材料制作？

76、为什么研究半导体光电发射时使用亲和势的概念，而不用电子溢出功？

77、什么叫热电子和冷电子？为什么说负电子亲和势光电材料主要靠冷电子发射？

78、简述温差电偶的工作原理。

79、明视觉最大光谱光视效能及其物理意义。

80、为了减小背景光和杂散光的影响，需对进入光电接收系统的光进行滤波。试说明对入射光进行空间滤波和光谱滤波的基本方法和作用。

一、空间滤波的基本方法和作用

（1）如果信号光的输入空间角有一定的大小，如远处的点光源，可以给接受光学系统加遮光罩、减小视场光阑、减小通光孔径的方法，压缩进入光学系统的空间立体角。 （2）当信号光源有一定的空间形状时，我们可以利用透镜的傅立叶变换，在其频谱面上设置空间滤波器，只让信号光源的特定空间频谱通过，而将其他空间频谱挡住，就能将背景光几乎全部滤除。

（3）给接受光学系统加消杂光光阑，可以最大限度的消除杂光的干扰。 二、光谱滤波的基本方法和作用

81、为了提高光电接收系统的信噪比，我们学习过哪些方法用来压制噪声？

82、你学过哪几种光电信号调制方法？各是用什么原理、方法进行调制的？ 内调制：调幅、调频、调相、调宽、光学编码等；

外调制：调制盘、电光调制、声光调制、莫阿条纹调制、液晶光阀调制等。

83、说明对光源选择的基本要求。

84、简述用锁相环电路进行微弱信号检测的工作原理。

85、简述用取样积分电路进行微弱信号检测的工作原理。

86、说明前置放大器的主要作用。

87、光电技术中的光学系统主要由哪几部分组成？各起什么作用？

二、选择题

1、关于人眼的光谱光视效率，以下说法正确的是： （ D ）

（A）对各种波长的入射光，只要它们的光谱辐射通量相等，则人眼感到的主观亮

度相等；

（B）光源的亮度对人眼的光谱光视效率没有影响；

（C）对波长为840?nm的入射光，人眼亮视觉的光谱光视效率小于人眼暗视觉的

光谱光视效率；

（D）对波长为589?nm的入射光，人眼亮视觉的光谱光视效率大于人眼暗视觉的

光谱光视效率。

2、关于朗伯体的说法中，正确的是： （ C ） （A）对各种波长的光，朗伯体的散射率都是一样的；

（B）对于沿正法线方向入射的光，散射光的光强度与散射方向和法线方向的夹角的余弦成正比；

（C）对于沿任意方向入射的光，散射光的光强度均与散射方向和法线方向的夹角的余弦成正比；

（D）对于沿任意方向入射的光，散射光的亮度均与散射方向和法线方向的夹角的余弦成正比。

3、在光电技术中，对光源的主要要求有： （ D ） （A）发光强度要大，发光效率要高； （B）光辐射通量要大，光源稳定性要好； （C）光源方向性好，便于调制；

（D）光源的光谱功率分布应与光电探测器件光谱响应相匹配。

4、关于光电倍增管，下列说法正确的是： （ B ）

（A）光电倍增管主要由光电阴极、电子光学系统、电子倍增极、阳极、电源等组成； （B）电子光学系统的作用是使光电阴极发射的光电子尽可能多的汇集到第一倍增极，并使光电子的渡越时间尽可能相等；

（C）光电倍增管的增益由外加的总电压决定，与阳极电压无关； （D）阴极灵敏度由阴极材料决定，与窗口材料无关。

5、设某光电倍增管的阴极灵敏度为10 mA/W，各级电子收集率均为1，二次电子发射系数均为2，共有19级电子倍增。如入射光辐射通量是2.5?10?10W，则阳极电流是：

（ A ）

（A）1.3?10?6A （B）5.2?10?6A （C）5.2?10?6mA （D）1.3?10?6mA

6、光电探测器的主要噪声有： （C ） （A）热噪声，白噪声，产生—复合噪声；

（B）热噪声，白噪声，产生—复合噪声；1/f噪声；

（C）热噪声，散粒噪声，产生—复合噪声，1/f噪声，温度噪声； （D）热噪声，散粒噪声，1/f噪声，温度噪声。

7、半导体P—N结受到光照时，在外电路中产生的电流为： （ C ）

qVqV （A）I?IP?I0ekT （B）I?IP?I0eqVkTkT

qVkT （C）I?IP?I0(1?e) （D）I?IP?I0(1?e)

8、对半导体光电导器件，以下说法中正确的是： ( C ) （A）光电导器件只能测量交变光照，不需要加偏压即可工作； （B）光电导器件只能测量稳定的光照，必须加偏压才能工作； （C）光电导器件可以测量交变光照，必须加偏压才能工作；

（D）光电导器件只能测量稳定的光照，不需要加偏压即可工作；

9、对热释电器件，以下说法中正确的是： ( A ) （A）热释电器件只能测量交变光照，不加偏压即可工作； （B）热释电器件只能测量交变光照，必须加偏压才能工作； （C）热释电器件可以测量稳定的光照，不加偏压即可工作； （D）热释电器件只能测量稳定的光照，必须加偏压才能工作；

10、热敏电阻与入射光的关系有： （D） （A）其响应取决于入射光辐射通量，与光照度无关； （B）其响应取决于光照度，与入射光辐射通量无关； （C）其响应取决于光照度，与入射光波长无关；

（D）其响应取决于入射光辐射通量，与入射光波长无关。

11、光敏电阻与入射光的关系有： （ A ） （A）其响应取决于入射光辐射通量，与光照度无关； （B）其响应取决于光照度，与入射光辐射通量无关； （C）其响应取决于光照度，与入射光波长无关；

（D）其响应取决于入射光辐射通量，与入射光波长无关。

12、常用的快速光电探测器件有： （B）

（A）光敏电阻，光电池，光电二极管等；

（B）PIN光电二极管，雪崩光电二极管，光电倍增管等； （C）热敏电阻，热释电器件，光电倍增管等； （D）CCD，热释电器件，光电倍增管等

13、某光电子发射器件的量子效率是0.6，如入射光波长是555nm，则其光照灵敏度是：

（C）

比光敏电阻的阻值要大，故需串联一个电阻R1，R1=RL-Rt=500欧姆，如图9—2所示。

10、具有上题所示特性的光敏电阻，用于右图所示的电路中。若光照度为E＝（400＋50sin?t）

CR(t)lx，求流过R的微变电流有效值和R所获得的信

22号功率。

解：设光照度变化频率?和电容量C足够大，则电容交流短路。交流等效负载为R1和R2的并联值，R∥=2k?。

由上题，G0=4×10-4 S，

Gmax=Sg Emax=1.0×10-6×450=4.5×10-4 S 直流工作点： I0?U?R0?R11301?2.5k?44.0?10R2(5k?)30VR1(2.5k?)题10图

?6.00?10?3（安）。

光照度最大时，总电流

Imax?U1?R11Gmax?301?2.5k?44.5?10?6.35?10?3（安）

所以交变电流的峰值电流是imax=6.35-6.00=0.35(mA)，通过R2的峰值电流是：

i2max?R12.5kimax??0.35mA?0.12mA

R1?R22.5k?5k负载电阻R2所获得的信号功率为： 123?32?5PS?R2i2max?0.5?5?10?(0.12?10)?3.8?10W

211、已知2CR太阳能光电池的Uoc＝0.55伏，Isc＝50mA，要用这种光电池组合起来对6V、0.5A的蓄电池充电，应组成怎样的电路？需要这样的光电池多少个？（充电电源电压应比被充电电池电压高1伏左右）

解：光电池用于能量转换时，输出电压一般取开路电压的0.8倍，这时输出电流约为

6.0?1.0?16个电池串联供电。每支路提供400.8Isc=40mA , 输出电压0.44伏。需用N1?0.44500?13条支路并联。共需用N?N1N2?16?13?208个这样的电毫安的电流，需要N2?40池串、并联供电。

12、某光电二极管的结电容5pF，要求带宽10MHZ，求允许的最大负载电阻是多少？若输出的信号电流为10?A，在只考虑电阻热噪声的情况下，求T?300K时信噪电流有效值之比。又电流灵敏度如为0.6A/W时，求噪声等效功率。 解：因为fH?1，所以最大负载电阻：

2?CjRLRL?2?电阻热噪声in11??3.18k?

2?CjfH2??5?10?12?1074kT?f，信噪电流有效值之比： RSis ??Nin10?(3.18?10)(4?1.38?10?23?513212?1.6?103

?300?10)7in4?1.38?10?23?300?107 NEP??/0.6?1.04?10?8W 3S3.18?1013、某热探测器的热导为5?10?6W/K，热容量为3?10?5J/K，吸收系数0.8，若照射到光敏元上的调制辐射量为??5?(1?0.6cos?t)，求其温升随时间的变化关系，并给出上限调制频率。

Gt5?10?6解：上限调制频率?????0.17?2?f，所以： ?5?tCt3?101f???0.027HZ。 2?温升随时间的变化关系 ?T???0Gt???mej(?t??) 221/2Gt(1???t)0.8?5?10?50.8?3?10?5?ej(?t??) ??615?105?10?6?(1?36?2)2 ?8?2.4?(1?36?2)?12ej(?t??)

14、某光电二极管的光照灵敏度为SE=3.0?10-6A/LX，拐点电压为VM=10V，给它加

上50伏的反向偏置电压，其结电容为5pF。试求：（20分）

① 若其能接收f = 6 MHz的光电信号，求其允许的最大负载电阻。 ② 如光电二极管耗散功率为200毫瓦，求所允许的最大光照度。

③ 如只考虑电阻的热噪声，求在问题①条件下输入电路的等效噪声功率及可探测的最小光照度 (S/N=1)。

④. 如输入信号光照度为E=50(1+sinωt)LX，求在最大输出信号电压情况下的负载电阻和电路通频带宽度。 解：①最大负载电阻：

RL?11??5.31k?

2?CjfH2??5?10?12?6?106②负载曲线通过拐点时，光电二极管耗散功率为P?SEEVM

Pmax200?10?33所以： Emax?LX ??6.67?10?6VMSE10?3.0?10 ③取RL为最大负载电阻，其热噪声功率为

Pr?4kT?f?4?1.38?10?23?300?6?106?1.0?10?13W 取光谱光视效率为最大值683，得可探测的最小光照度为： Emin?V(?)Pr?683?1.0?10?13?6.83?10?11LX

④在最大输出信号电压情况下，照度达100LX时，光电二极管上压降为10伏，输出电压Us=U0-UM=40伏，对应的光电流为

IS=SEE=3.0×10-6×100=3.0×10-4安。

负载电阻为 RL=US/IS=1.33×105欧姆 这时的电路通频带宽度是： fH?11??2.4?105 HZ

?1252?CjRL2??5?10?1.33?10

三、教材上所布置的所有作业题。 第一章： 1、 解：光衰减器的透射比指的是光辐射能量的透射比。在亮视觉时，对波长为?1?435.8nm的单色光，光亮度Lv1?KmV(?1)Le1，对波长为?2?546.1nm的单色光，光亮度

Lv2?KmV(?2)Le2， 且有Lv1?Lv2。在暗视觉时，应有：

L'v1?KmV'(?1)Le1?10?4，L'v2?KmV'(?2)Le2?10?4

L'v1KmV'(?1)Le1Lv1V'(?1)V(?2)V'(?1)V(?2)因为： '? ??'''V(?1)Lv2V(?2)V(?2)V(?1)Lv2KmV(?2)Le20.2640?0.978?20.9

0.714?0.0173大于1，所以在暗视觉时，波长为?1?435.8nm的光源的光亮度大于波长为?2?546.1nm的

?单色光源的光亮度。（光谱光视效能值参见教材第4页，此处采用了数值内插） 2、

解：① 该激光束的光通量

?v?KmV(?)?e?683?0.240?2?10?30.328Lm（流明）

发光强度 Iv??v???0.32855?4.2?10(3.28?10)Cd(坎德拉) ?32(1?10)?/4Iv4.2?10521111光亮度 Lv?Cd/m ??5.35?10(或4.2?10)?32?S(1?10)?/4光出射度 Mv??v?S?0.32825Lm/m ?4.2?10?32(1?10)?/4② 10米远处光斑面积大小：

?3.14S?(L??)2?(10?1?10?3)2?7.85?10?5m2

44反射光功率为： P'??P?0.85?2?10?3?1.7?10?3W

反射光通量 ?v'?P'KmV(?)?1.7?10?3?683?0.240?0.279Lm

漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I0与光通量的关系是I0??/?，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：

I0?v'0.27923Lv????1.13?10 Cd/m

S?S3.14?7.85?10?5 3、

解：白炽灯各向同性发光时

?v?SEv?4?R2Ev?4?3.14?1.52?30?848 Lm

4、

解：由维恩位移定律，?mT?2897?m?K，所以 T?

第三章

1、

解：300K时，ni?1.5?1010/cm3，?Nd?1015远大于ni，所以

p=Nd+ni 10152897?m?2897?635K3 0.456。而n2ini22.25′10202

=2.25 105个/cm ?np，\\n==15p10其费米能级

EfnNd1015?23?Ei?kTLn?Ei?1.38?10?300Lnni1.5?1010

?Ei?4.6?10?20(J)?Ei?0.29(eV)其能级图如右。

2、

解：300K时，因ni?1.5?1010/cm3，n?Nd?ni?2.25?1016

ni22.25?1020??104个/cm2 p?16n2.25?10其费米能级

EfnNd2.25?1016?23?Ei?kTLn?Ei?1.38?10?300Lnni1.5?1010

?Ei?6.73?10?20(J)?Ei?0.42(eV)其能级图如右。

4、 解：（a）300K时，本征硅的电导率

??nq?n?pq?p?niq(?n??p)?1.5?10?1.6?10(1350?480)?4.4?10(/??cm)10?19?6

（b）掺杂率10-8，则掺入的施主浓度为Nd?5?1022?10?8?5?1014

ni2(1.5?1010)2所以，n?Nd?5?10，p???4.5?105 14p5?1014 ??nq?n?pq?p?(5?1014?1350?4.5?104?480)?1.6?10?19?0.108(/??cm) 6、

解：因为归一化探测率D?*Ad?fNEP，所以

NEP?Ad?fD*?(0.25)2??5?1031011?3.13?10?10 W

这就是能探测的最小辐射功率。

7、 解：?? 8、

解：该金属光电发射体的逸出功为2.5eV，所以W?E0?Ef?2.5eV，且E0?EC?7.5eV。

(a) 发生光电效应的长波限：

hc6.62?10?34?3.00?108?m???4.97?10?7m ?19W2.5?1.6?1012?fH?1?9 S ?8.0?1072??2.0?10 (b) 费米能级相对于导带底的能级差

?E?Ef?Ec?(E0?2.5)?(E0?7.5)?5.0eV 第四章

10、

解：（b）阴极电流IK?SKES?20?0.1?2?10?4?4?10?4?A 倍增系数 M??0(??)n?0.98?(0.95?4)11?2.34?106

?Td???0Gt

交变温升 ?T????0cos?(t??)

Gt(1??2?t2)1/2式中温升和辐照之间的相角 ???arcta??nt() 5、

解：因为归一化探测率D*?Ad?fNEP，所以

探测器光敏元面积 Ad?(D*NEP)2?f?(1?109?1?10?10)2?1?1?10?2cm2

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