光电技术(A卷)试卷

武汉理工大学考试试题纸（A卷）

课程名称光电技术

一、 名词解释(每小题3分，总共15分)

1.坎德拉(Candela,cd) 2.外光电效应 3.量子效率 4. 象增强管 5. 本征光电导效应 二、 填空题(每小题3分，总共15分)

1. 光电信息变换的基本形式 、 、 、

、 、 。 2.光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由 、 、 、 和 组成。

3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。其发光机理可以分为

和 。

4. 产生激光的三个必要条件是 。

5. 已知本征硅的禁带宽度为Eg，要使该材料有光电子产生，其入射光波的最大波长为 。 三、如图1所示的电路中，已知Rb=820Ω,Re=3.3KΩ,UW=4V，光敏电阻为Rp,当光照度为40lx时，输出电压为6V，80lx是为9V。设光敏电阻在30~100之间的γ值不变。 试求：(1) 输出电压为8V时的照度；

（2）若Re增加到6 KΩ，输出电压仍然为8V，求此时的照度； (3) 输出电压为8V时的电压灵敏度。

Ubb=12V Rp Uo Rb VDW 图1

Re

四、 如果硅光电池的负载为RL。(10分)

(1)、画出其等效电路图；

(2)、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流； (3)、标出等效电路图中电流方向。 五、 六、

简述PIN光电二极管的工作原理。为什么PIN管比普通光电二极管好？ (10分)

1200V负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，若倍增管的阴极灵敏度SK为20uA/lm，阴极入射光的

2

照度为0.1Lx，阴极有效面积为2cm，各倍增极二次发射系数均相等(?各倍增极的电子收集率为??4)，光电子的收集率为?0?0.98，

?0.95。(提示增益可以表示为G??0(??)N) (15分)

(1) 计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。

(2) 设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV，求放大器的有关参数，并画出原理图。 七、

简述CCD的两种基本类型，画出用线阵CCD测量微小物体(小于100微米)原理简图，并分析测量原理。

(15分)

八、 一InGaAs APD 管在倍增因子M=1，入射波长为1550nm时的量子效率?＝60％，加偏置电压工作时的倍增因

子M=12。(10分)

1. 如果入射功率为20nW，APD管的光电流为多少？ 2. 倍增因子为12时，APD管的光谱响应度为多少？

光电技术 A卷参考答案

一、 名词解释

1. 坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540×10Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，在

该方向上的发光强度为1cd。

2. 外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电

子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。

3. 量子效率：一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值。

4. 象增强管：把微弱的辐射图像增强到可使人直接观察的真空光电成像器件。

5. 本征光电导效应：本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由

电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。

二、 填空题

1. 信息载荷于光源的方式 信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、

信息载荷于光学量化器的方式和光通信方式的信息变换。

2. 光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。

3. PN结注入发光，异质结注入发光。 4. h??5.

12mv?W 2

??hcEg三、

根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流

Iw?Ubb?Uw8??9.8mA 满足稳压管的工作条件

Rb820(1) 当Uw?4V时，Ie?Uw?Ube4?0.7??1mA3Re3.3*10?6K?，

由

Rp?Ubb?U0Ie得输出电压为6伏时电阻R1输出电压为9伏时电阻R2?3K?，故r?lgR1?lgR2=1；

lgE2?lgE1输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为Rp?Ubb?U0Ie=4K?，带入r?lgR1?lgR2，解得E=60lx

lgE2?lgE1（2）与上面（1）中类似，求出照度E=34lx (3) 电路的电压灵敏度Sv四、

??U8?6??0.1(v/lx) ?E60?40(1) 光电池的等效电路图

Rs

ip

Cf Rsh RL

等效微变电路

(2) 流过负载电阻的电流方程IL短路电流的表达式Isc?Ip?ID?Ip?I0(eqV/kT?1)

?Ip?SE?E ?kTIpln(?1) qI0开路电压的表达式Voc (3) 电流方向如图所示

五、当光照射p－n结，只要人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。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n区边界积累光电子，p区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。其基本结构就是一个p-n结， 属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件

hv>Eg,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少

数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。 六（1）放大倍数G=?0(??)=0.98*(0.95*4)=2.34*10

G＝

n

11

6

IPIK

IP＝GIK SK＝

IK?

-4

-4

IK＝SK?＝20uA/1m*(0.1*2*10)=4*10uA IP=GIK=9.35*10uA

2

(2)

IP

Cf

PMT1

- + Rf

V V0=RfIP

V0200*10?3R=??2.14*10?

IpIp2

f

七、CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟

L 信号读出 He-Ne 透镜 计数显示器 细丝 线阵CCD 类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）。

原理： 当满足远场条件L﹥﹥d/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到 d=Kλ/Sinθ (1)

当θ很小时（即L足够大时）Sinθ≈tgθ= Xk/L 代入（1）式得 d=

2

信号处理 时钟发生控制器 道电荷耦合器件（SCCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这

?LK?L?L== …………..(2) XKXK/KSS——暗纹周期，S=XK/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S测量简图

八、

(1) Solution The responsivity at M=1 in terms of the quantum efficiency is

Q(?)?Ne(?)I(?)/eS(?)hc??Np(?)?e(?)/h??ee?1.6?10?19?1.55?10?6S(?)?Q(?)?0.6?hc6.626?10?34?3?108?0.75AW?1IphoS(?)??(?)Ipho?S(?)?(?)?(0.75AW?1)?(20?10?9W)?1.5?10?8AIph?MIpho?1.80?10?7A

S'(?)?Iph?(?)?MIpho?(?)?MS(?)?12?0.75?9.0AW?1(2) If Iis the primary photocurrent and ?0 is the incident optical power then by definition Spho ?Ipho?0

so that

(1) Solution The responsivity at M=1 in terms of the quantum efficiency is

Q(?)?Ne(?)I(?)/eS(?)hc??Np(?)?e(?)/h??ee?1.6?10?19?1.55?10?6S(?)?Q(?)?0.6?hc6.626?10?34?3?108?0.75AW?1IphoS(?)??(?)Ipho?S(?)?(?)?(0.75AW?1)?(20?10?9W)?1.5?10?8AIph?MIpho?1.80?10?7A

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