光电技术复习资料

“光电技术”复习资料

一、回答问题：

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

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。 图 发光二极管的结构图

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。 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。

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。

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？

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？ 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。

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？ 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。

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？

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？

74、写出光照下PN结的电流方程。

78、简述温差电偶的工作原理。

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频谱通过，而将其他频谱挡住，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？

83、说明对光源选择的基本要求。

二、计算题：

4、一块半导体样品，时间常数为??0.1?s，在弱光照下停止光照0.2?s后，光电子浓度衰减为原来的多少倍？

解： ne(t)?n(0)e?

?tne(t)?e?2?0.135 4ne(0)6、设某种光电倍增管一共有10个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为??4，阴极灵敏度Sk?20?A/lm，阳极电流不得超过100?A，试估算入射于阴极的光通量的上限。

解：阳极电流IA满足：IA??vSk?n，所以入射光通量

?v?IASk?n?100?6 lm ?4.77?101020?47、上题中，若阳极噪声电流4nA，求其噪声等效光通量?（?f?1HZ） 解：题中未给出入射光的波长值，我们取波长为555 nm，则V(?)?1 NEP=

inSk?nkmV(?)?4?10?320?410?683?2.79?10?13 Lm

8、某光敏电阻的暗电阻为600k?，在200lx光照下亮暗电阻比为1：100，求该电阻的光电导灵敏度。

解：该光敏电阻的亮电阻为R2?0.01R1?6?103?，光电导G?1/R，所以光电导灵敏

1111??35RR6?106?1021??8.33?10?7S/Lx 度 SE?E2?E1200?09、某光电导器件的特性曲线如右图，用该器件控制一继电器。使用30V直流电源，

电路在400lx的照度下有10mA电流即可使继电器吸合。试画出控制电路，计算所需串联的电阻和暗电流。

100R(k?)101Rt 30V R1 1 R 0.1J 0.0110100103104E(lx) 题9图 光敏电阻的特性曲线

光敏电阻控制继电器电路

解：光敏电阻的光电导灵敏度为

1111??5RR10001?1021SE???1?10?6 S/Lx

E2?E11000?1在400Lx的光照下，光敏电阻的阻值为R。 1G0??SEE?1?10?6?400?4?10?4S

R所以，Rt=2500欧姆。使用30V直流电源，使继电器吸合需10mA电流。这时回路电阻应为

RL=30/0.010=3000欧姆

电器，其原理如图所示。如果继电器的线圈电阻为4KΩ，继电器的吸合电流为2 mA，问需要多少照度时才能使继电器吸合？如果需要在400 LX时继电器才能吸合，则此电路需作如何改进？

解：由题意，RL?4k?

Sg??Gp?G0E?111(?)ERt2Rt1111?(?7)?2?10?6s100500010

① 继电器吸合时的电流为2mA，由

U123?6?10? Rp?RL???3I2?10 RP?2k? E?11??2.5?102 lx ?63SgRP2?10?2?10 ②由题意，继电器吸合时的电流为2mA，总电阻应为6千欧，而光敏电阻的阻值是

RP?11??1.25k? ?6SgE2?10?400继电器的电阻是4千欧，所以还应串接一个750欧姆的电阻。（也可将电源电压降为10.5伏）。 5、解：（a）恒流偏置，IC?UbUb，?UO?VC?IR?VC??R

Rg?rbeRg?rbeUbUb(??1)，IC?? R?rbeR?rbeUb?RC R?rbe （b）恒压偏置，Ue?Vb?Ube，Ie? UO?VC?ICRC?VC?第六章

6、因为微安表满量程电流为100微安，故I2最大值是1.4毫安。这时光电池电压0.3

0.3?214? 伏，所以R2??31.4?10 在微安表支路中，电流为0.3/（100×10-6）=3×103欧姆，所以R1为2000欧姆。 8、现有一块光敏面积为5×5mm2的硅光电池2CR21，其参数为S?7nA/LX?mm2，要求用一个量程为10V的电压表作照度指示，测试照度分别为100LX和1000LX两档，试设计一个带有运放的照度计，画出其原理图，并给出图中元件的参数。

解：由题意，运算放大器应设计成电流—电压变换器的形式，如图所示。

因为 U?ISCRf?SEARf

所以，在100 lx的照度下，

U105Rf???5.7?10??9SEA7?10?100?5?5同理，在100 lx的照度下， Rf?5.7?104?

9、解：（1）2CU2 的暗电流 Id?Rf + - - - + 题6—8图

V00.6 ??4?10?7（A）6Rf1.5?10 （2）有光照时，IP?SEE，V1?(IP?Id)Rf，所以： SE?1V112.4?7?6 A/lx (?Id)??(?4?10)?1.2?106ERf1001.5?10 10、由于最大光电流IPmax?S??max?0.4?400?160?A远大于暗电流Id?0.2?A，所以暗电流可以忽略。

a) 最大辐射功率为400μW时，拐点电压VM?10V，这时输出电压 UO?UCC?Ube?UM?18?0.7?10?7.3V 由于UO?IeRe?(??1)S??maxRe，所以 Re?UO7.3??895? ?6(??1)S??max(50?1)?0.4?400?10b) 当辐射功率从400μW减小到350μW时，

?UO?Re?Ie?(??1)S???Re?(50?1)?0.4?50?10?6?895?0.91V

11、由题意，应由直流负载电阻RC来确定直流工作点，放大器输入电阻Ri与直流负载电阻RC并联共同组成光电二极管的交流负载。其检测电路和交流等效电路如图所示。

（1）在直流静态工作点Q，应有

C C I Rc Vb (a) 检测电路

题6—11图

Ri G0 Gc Gi （b）交流等效电路

IQ?G0VQ?SEE0?(Vb?VQ)GC

在交流情况下，应有

(VQ?VM)(G0?GC?Gi)?SEEm

在取得最大输出功率的情况下，应有Gi?G0?GC，以上三式联立求解，得： GC?SE(Em?2E0)?2G0VM

2(Vb?VM)0.5?10?6?(3?2?5)?2?0.005?101 ? S ?2?(40?10)600所以： RC?60?0

Gi?G0?GC?0.005?11? S 600150 Ri?150?

（2）输入给放大器的电流为

1?t ii?SEEmsin?t?0.5?0.5?3sin?t?0.75sin2其有效值为 Ii?0.707ii0?0.707?0.75?0.53?A 电压有效值为 Vi?RiIi?150?0.53?10?6?8.0?10?5 伏 功率有效值为 Pi?ViIi?8.0?10?5?5.3?10?7?4.2?10?11W

（如取结间电导G0?0.005?10?6S，则GC?2.2?10?7S，RC?4.6?106?，Ri?4.5?106?；

Ii?0.53?A，Vi?2.38V，Pi?1.26?10?6W） 第八章

4、解：由题意，电荷转移率为

Qn ?(1??)n?e?n??0.5，式中n?2m?2048，所以：

Q0???ln第九章

1nQn1??ln0.5?3.38?10?4 Q02048 2、解：若调制辐通量???0(1?cos?t)，则平均温升 ?Td???0Gt

交变温升 ?T????0cos?(t??) 221/2Gt(1???t)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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