光电检测技术期末试卷试题大全

1、 光电器件的基本参数特性有哪些? （响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度）响应特性分为电压响应度 电流响应度 光谱响应度 积分响应度 响应时间 频率响应 噪声分类： 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f 噪声 信噪比 S/N 噪声等效功率 NEP2、 光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。（光电子学 光电子器件）3、 光电检测系统通常由哪三部分组成（光学变换 光电变换 电路处理）4、 光电效应包括哪些外光电效应和内光电效应）外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。光生伏特效应：光照在半导体 PN 结或金属半导体接触面上时，会在 PN 结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。5、 光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？（光生伏特效应 太阳能光电池和测量光电池）6、 激光的定义，产生激光的必要条件有什么？（ 定义：激光是受激辐射的光放大 粒子数反转 光泵 谐振腔）7、 热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？（交变辐射）8、 CCD 是一种电荷耦合器件，CCD 的突出特点是以什么作为信号，CCD 的基本功能是什么？（电荷 CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 ）9 根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。（直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法）10、光热效应应包括哪三种。（热释电效应 辐射热计效应 温差电效应）11、一般 PSD 分为两类，一维 PSD 和二维 PSD，他们各自用途是什么？（一维 PSD 主要用来测量光点在一维方向的位置；二维 PSD 用来测定光点在平面上的坐标。 ）12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。（外光电效应 光电管 光电倍增管）二、 名词解释1、响应度（响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。 ）2、信噪比（是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）3、光电效应（光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。 ）4、亮电流（光敏电阻两端加电压（直流或交流） 。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。 ）5、光电信号的二值化处理（将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。 ）6、亮态前历效应(亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象)7、热释电效应（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）8、暗电流9、暗态前历效应暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现 为暗态前历越长，光电流上升越慢。三、简答1、雪崩光电二极管的工作原理（当光敏二极管的 PN 结上加相当大的反向偏压（100200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使 PN 结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。 ）2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？（共性：同属于内光电效应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。）3、 什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？（将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）4、 发光二极管的工作原理。（在 PN 结附近，N 型材料中的多数载流子是电子，P 型材料中的多数载流子是空穴，PN 结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P 区的空穴和 N 区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在 PN 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对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。5、 说明电子器件与热电器件的特点。光子器件 热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒6、 PIN 型的光电二极管的结构、工作原理及特点（它的结构分三层，即 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着较厚的本征半导体 I层，它是用高阻 N 型硅片做 I 层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作 N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到 PIN 光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧 P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小，I 层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点： PIN 管的最大特点是频带宽，可达 10GHz。缺点:由于 I 层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。）7、 热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。（第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。第二阶段）8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？（#光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。#光电变换光电/热电器件（传感器） 、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理） 。#电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。 ）9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极 5 部分组成。1 光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。2 电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。.3 经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流。）10 简述 CCD 器件的结构和工作原理（MOS 电容器件+输入输出端=CCDCcd 的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在 CCD 的像敏单元上；在耗尽层中或距耗尽层为一定范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附近形成电荷包，存储在像敏单元中。电荷包的大小与光强和积分时间成正比。电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。即在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 ）11、简述热电偶的工作原理（热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。 ）12、光电二极管的工作模式有哪几种？都分别用于什么场合？四、分析1、根据电路说明光电耦合器的作用。B1 B2 +12V 1 K 4N25 Q11 +12V 1K 4N25 Q11U1 6.2K Y1 U1 6.2K 30G6 Y233K 33K 30G6 Q12Q12 2、分析下面电路的工作过程Cd5 Cd5 220V Cd5 五、应用题1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。（被测物体 L 在传送带上以速度 v 前进，光电传感器将物体的长度 L 转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数 N，则 L=vt=vkN=KN)2、举例说明补偿测量方法的原理（补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。 ） 。3、举例说明象限探测器的应用。（四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。 ）下图为简单的激光准直原理图。用单模激光器作光源。因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒置望远系统 L 进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。光电池 AC、BD 两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出电信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。4、举例说明光敏电阻的应用（举例一：照明灯的光电控制电路基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路。基本原理：光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。举例二：把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。 举例三：天明告知装置）电子科技大学二零零七 至二零零 八 学年第 一 学期期 末 考试光电检测技术 课程考试题 B 卷 （120 分钟） 考试形式： 开卷 考试日期 2009 年 6 月 12 日课程成绩构成：平时 20 分， 期中 分， 实验 分， 期末 80 分一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计一、填空题（每空一分，共 15 分）1、入射光在两介质分界面的反射率与（ ）有关。2、已知本征硅的禁带宽度 Eg1.2eV，则该半导体材料的本征吸收长波限为（ ） 。3、某一干涉仪的最高频率为 20MHz，选用探测器的时间常数应小于（ ） 。4、温度越高，热辐射的波长就（ ） 。5、光电检测是以光信息的变换为基础，它有（ ）和（ ）两种基本工作原理。6、光电探测器的物理效应通常分为（ ） 、 （ ） 、 （ ） 。7、光电检测系统主要由（ ） 、 （ ） 、 （ ）和（ ） 。8、光电三极管的增益比光电二极管（ ） ，但其线性范围比光电二极管（ ） 。二、判断题（每题一分，共分）1、PIN 管的频率特性比普通光电二极管好。 （ ）2、提高载流子平均寿命能同时提高光电导器件的增益及其截止频率。 （ ）3、有基极引线光电三极管可作为光电二极管和无基极引线光电三极管使用。 （ ）4、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。 （ ）5、光电二极管阵列中各单元面积减小，则其信号电流和暗电流同比例减小。 （ ）6、阵列器件输出的信号是数字信号。 （ ）7、光敏电阻受温度影响大，通常工作在低温环境下工作。 （ ）8、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度越高。 （ ） 9、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。 （ ）10、光电池的频率特性很好。 （ ）三、简答题（每小题 6 分，共 30 分）1、总结原子自发辐射、受激吸收、受激辐射三个过程的基本特征。2、半导体激光器和发光二极管在结构上、发光机理和工作特性上有什么不同？3、说明为什么本征光电导器件在微弱的辐射作用下，时间显影越长，灵敏度越高。4、硅光电池的内阻与哪些因素有关?在什么条件下硅光电池的输出功率最大?5、光电三极管和普通三极管有什么不同？为什么说光电三极管比光电二极管的输出电流可以大很多倍？四、论述题（45 分）1、试从工作原理和系统性能两个方面比较直接探测和外差探测技术的应用特点。(10 分)2、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项物理意义。 （10 分）3、试问图 1-1 (a) 和图 1-1(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压 U0 的表达式。(12 分)(a) (b)图 1-1 光敏电阻偏置电路3、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。 （13 分）武汉理工大学考试试题纸（ A 卷）课程名称光电技术专业班级光信科 05010503题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分题分 15 15 10 10 10 15 15 10 100备注：学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题)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 、 、 、 、 RpReRbVDWUbb=12VUo图 1 。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 ，要使该材料有光电子产生，其入射光波的gE最大波长为 。三、如图 1 所示的电路中，已知Rb=820,R e=3.3K,U W=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 30100 之间的 值不变。试求：(1) 输出电压为 8V 时的照度；（2）若 增加到 6 K，输出电压仍然为 8V，求此时的照度；eR(3) 输出电压为 8V 时的电压灵敏度。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、 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 )六、 1200V 负高压供电，具