电子科技大学2009-2010光电检测试卷B答案

一、简答题（共40分，共5题，每题8分）

1. p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。

因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

2. 当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。

当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。光生电子——空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应.

当光照射到某种物质时，若入射的光子能量h?足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。

3. 所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）表现出选择性。在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。

光热效应的实质是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与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱成分无关。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等。

4.选用原则:

(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。 (2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。

(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。

(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系

数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。

(5) 为了使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。

5.光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.

二、论述

1. 当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RL

当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RL

空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RL>Rm且RL→∞，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。

2.(1) 恒功率偏置: 输出电压?UL??IRL?2RpUbSg(Rp?RL)2RL????U并不随负载电阻线

性变化，要使?UL最大，须将式对RL微分，有

2Rp(Rp?RL)d?UL?UbSg?? 3dRL(Rp?RL)当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，此时探测器的输出功率最大，即

d?UL＝0，则?UL最大。dRLPL=ILUL ?Ub2/4RL

称为匹配状态。

(2) 恒流偏置: 在基本偏置电路中，若负载电阻RL比光敏电阻RP大得多，即RL>>RP，则负载电流IL简化为

IL=Ub/RL

这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。

随输入光通量ΔΦ的变化，负载电流的变化ΔIL变为

?IL=SgUb(RP/RL)2?Φ

上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压则需很高（100V以上），这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流器件来代替RL。

(3) 当负载电阻RL比光敏电阻RP小得多，即RL<

UL ≈ 0

此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称为恒压偏置，信号电压变为

?UL=SgUbRL?Φ

式中，SgΔΦ＝ΔG是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。

从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路的一大优点。

3. 信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：

①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。 ②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。

③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。

④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。

⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。

总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件. 4. 对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类： （1）光子噪声

包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。

（2）探测器噪声

包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。 （3）信号放大及处理电路噪声

在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。 因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有： （1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入

白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。

（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。

采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。 （3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大

图 光电探测器噪声功率谱分布示意图

5. 如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。

测量角锥镜 偏振分光镜 光扩展器 分光器 布儒斯特窗 激光器 透镜 固定角锥镜 偏振片 光电 稳频信号 接收器

图 双纵模双频激光干涉仪原理示意图

由长度为206mm的全内腔He-Ne激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔为???c/2nL（式中c为光速，L为谐振腔长，n为空气折射率，其值约728MHz），经布儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振片产生拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜，两路光返回后经透镜、偏振片产生拍频。当测量镜在时间t内以速度V移动一距离时，因多普勒效应而引起频差变化?f，这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。

可得测量镜运动距离与相位差变化的关系式

?L??1??4?

根据测量镜运动引起的多普勒效应?f与相位的关系有：

???2??f

因而：?L??12?f

tL???120??f?fdt??12?N

可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项的变化影响的情况下，只要对测量镜运动过程中测量信号与参考信号的相位差变化的周期数，即可获得所需测量长度结果。

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