光电技术王庆有著电子工业出版社课后答案.pdf

光电技术第一章参考答案 1 辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不 能出现光度量？ 答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光 电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出 相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根 本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐 射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理 （或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计 算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 0.380.78um 的可见光谱区域，是对 光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个 电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。 光源在给定波长处，将+d范围内发射的辐射通量 de，除以该 波长的光子能量 h，就得到光源在处每秒发射的光子数，称为光谱量子流 速率。 2 试写出 e 、 e M、 e 、 e L 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。 答：辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用 符号表示，其计量单位为焦耳（J） 。 e Q e Q 辐（射）通量 e ：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称 为辐（射）通量，以符号 e 表示，其计量单位是瓦（W） ，即 e = dt dQe 。 辐（射）出（射）度：对面积为 A 的有限面光源，表面某点处的面元向半球 面空间内发射的辐通量d e M e 与之 ， 该面元面积d比， 定义 为辐（射）出（射）度 e M即M A e= dA d e 。其计量单 位是瓦每平方米W/m2。 辐（射）强度：对点光源在给定方向的立体角元 e d内发射的辐射通量 e d， 与该方向立体角元d之比， 定义为点光源在该方向的辐 （射） 强度，即 e e = d d e ，辐射强度的计量单位是瓦特每球面 度（W/sr） 。 辐射亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元 在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度， e L e L 1 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m e L = cosdA dIe = cos 2 dAd d e ，式中，为所给方向与面元法线间 的夹角。其计量单位是瓦特每球面度平方米W/（sr. m2）。 3 何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？ 答：一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空 间方向上的分布满足 cos 0ee dIdI 式中Ie0是面元沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐 射体或朗伯体。 黑体为理想的余弦辐射体。它满足黑体辐射定律： dS K , a.普朗克辐射定律 黑体表面向半球空间发射波长为的光谱，其辐射出射度 是黑体温度T和波长的函数，这就是普朗克辐射定律； , e M b.斯忒藩玻尔兹曼定律 黑体的总辐射出射度为对积分，得到其为T4； , e M c.维恩位移定律 峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数。当温 度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动。 4 试举例说明辐射出射度 Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。 答：略。 5试说明、的意义及区别。 m K W K 答：为 人眼的明视觉最灵敏波长m的光度参量对辐射度参量的转换常数， 称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为683lm/W。 m K K对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有 的辐射参量与所有的光度参量的关系。对于明视觉，刺激程度平衡条件 为 e X , v X ,ev XK mV X 令 K =/ = , v X , e X m K V， 称为人眼的明视觉光 谱光视效能。（其中定义 V= m , e L , e L 为正常人眼的明视觉光谱光视效率。 m 等 于0.555um） 定义一个热辐射体发射的总光通量 v 与总辐射通量 e 之比，为该辐射体的光视 效能K，K= ，其中V为辐射体的光视效率。在光电信息变换技术领域常 用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏 度等特性参数。定义标准钨丝灯的光视效能为 ， =171 （lm/W） 。 V m K m K m K 6 （平面发散角为1mrad）解： （1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通 量为 , e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为 , v = , emV K 又=683lm/W，V0.6328=0.235， 带入数据计算得 m K , v 为0.4815 lm。 发光强度= , v I , v ，立体角为=2（1（1r2）1/2） ， 将光束平面发散角转换= 110-3180 /（）=0.057度 则r = sin（/2）=510-4带入公式得= 8.1710-7sr 2 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 所以发光强度= , v I , v = 0.4815/（8.1710-7）=5.89105cd 光出射度M = , v 2 , 2 d v = 0.4815/（0.001/2）2）=6.13105lx （2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径r=10 2 tan a +0.0005 =5.510-3m， 面积A= =7.8510-5m2 2 r 屏幕的光照度为 = v E A v , =6.13103 lx 6.（平面发散角为0.02mrad）解： （1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射 通量为 , e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为 , v = , emV K 又=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得 m K , v 为0.4815 lm。 发光强度= , v I , v ，由空间立体角的定义， 将光束平面发散角转换= 0.0210-3 由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径 为 22 sin RRr，则= 2 2 R r 所以发光强度= , v I , v = 00000103. 0 4815. 0 5 1067. 4cd 光出射度M = , v 2 , 2 d v = 0.4815/（0.001/2）2）=6.13105lx （2） 激 光 投 射 到10m远 处 屏 幕 上 ， 可 得 接 受 面 半 径 2 101 2 10 2 101 2 tan10 33 r m003366. 0 面积A=3.56 2 r 5 10 屏幕的光照度为 = v E A v , = 5 1056. 3 4815. 0 1.35lx 4 10 7解：由题意有 , e =3mW，又查表得V（0.5145um）=0.6082 光通量 , v = , emV K =6830.60823=1.246103 lm， 3 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 屏幕上的光照度 = v E A v , =1.246103/（0.210-4）=6.23107 lx 若屏幕的反射系数是0.8，则光出射度为 =0.86.23107=4.984107 lx , v M 设屏幕每分钟接收的光子数目为N，则 Nhc = ,e 60（1-0.8） 所以N=600.230.514510-6/ （31086.6310-34）=9.311019个/分钟 8.解：依题意，设光子流速率为N个/秒，则 Nhc = ,e 又 , e =30mW，=0.6328um 所以N= hc e , = 9.541016个/秒 9解：依题意， m = 0.465um，由维恩位移定律， m =2898/T， 则太阳表面的温度T= m 2898 =6232.25K，又 =1.309T510-15 m se M , 计算得其峰值光谱辐射出射度=1.23104 m se M , 12. . umcmW 10.解：人体在正常体温时T=36.5+273=309.5K 由维恩位移定律， T m 2898 =9.36um 当发烧到38.5时，T=38.5+273=311.5K，此时 T m 2898 =9.303um 峰值光谱辐射出射度=3.84 155 , 10309. 1 TM m se 12. . umcmmW 11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限 i L E 24. 1 所以杂质电离能 L i 24. 1 =1.24/13=0.095ev 12.解：光照灵敏度 V V I S ，而辐射灵敏度 e e I S ， 又标准钨丝灯的辐射量与光度量的转化关系为 =17.1（lm/W） ， w K w e v K 所以，又 =200uA/lm ewv SKS v S 则其辐射灵敏度=20017.1=3.42mA/lm。 e S 13.解：依题意，辐射通量为100W，则它的辐射强度为 4 100 e I=7.96cd 对应于0.2sr范围的辐射通量为WIe e 592. 12 . 096. 72 . 0 4 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 由 e v w K 则对应的光通量lmK ewv 223.27592. 1 1 . 17 1 所以100W的标准钨丝灯在0.2sr范围内所发出的光通量为27.223lm。 14.解：设甲厂生产的光电器件的光照灵敏度为，则有， 1v S eWv SKS 1 w e v K S S 1 =5/17.1= 0.29 lm A ， 而乙厂光电器件的光照灵敏度是 = 0.4 v S lm A 显然，所以乙厂光电器件灵敏度高。 vv SS 1 15.解：依题意， =50uA， =300uA， =1uA 1 I 2 I D I 而PN结两端的开路电压为 ) 1ln( D oc I I q kT U 由于T不是定值，故只有当T=273K条件下才有： VInIn q KT Uoc093. 051 106 . 1 2731038. 1 1 1 50 19 23 1 VInIn q KT Uoc134. 0301 106 . 1 2731038. 1 1 1 300 19 23 2 16.解：由 gg L EE hc24. 1 又=1.2 ，则 g EeVum L 03. 1 2 . 1 24. 1 17.答：在微弱辐射作用下，半导体的光电导为 , 2 e hvl q g 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量 , e 成线性关系。半导体材料在弱 辐射作用下的光电灵敏度为 2 , hcl q d dg S e g 可见，为与材料性质有关的常数， 与光电导材料两电极间长度l的平方成反比。 为了提高光电导器件的光电灵敏度，一般就将光敏电阻的形状制造成蛇形。 还有就是增大了受光面积，也提高了光电灵敏度。 g S g S 5 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 18.答：光生伏特效应是基于半导体PN结 基础上的一种将光能转换为电能的效 应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导 带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，N区的空穴向P区运动，P区 的电子向N区运动，结果P区带正电，N区带负电，形成光生伏特电压或光生 电流。激光器输出光的波长（10.6um）远远超过激光器锗窗材料的本征吸收 长波限，不可能产生光电子发射。 2 CO 19.解：由nm EE hc thth L 1239 则 evE L th 82. 1 680 12391239 ，即该光电发射材料的光电发射域值为1.82电子 伏特。 20.解：由 g L E 24. 1 L g E 24. 1 又um L 4 . 1 所以 evE L g 886. 0 4 . 1 24. 124. 1 6 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 光电技术第二章参考答案 2.1 解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80） / , (1) t e nNe 代入（1-83） ，并对其 求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为 / 2 , (1) t g e dgq S dhcl e ，由此可知时间 t 响应越长，灵敏度越高。 2.2 解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时 间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。 其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子 浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决 定热生电子浓度不同，同样也决定了值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相 同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。 2.3 解：由式（2-1） r pg IUS E得 最大照度 2 2 ()() P gg IP E USU S 2 =22500 lx 最小照度 2 P gg IP E USU S =150 lx 2.4 解：在照明控制电路中，入射辐射很强 r=0.5，光敏电阻分压 =220-0.002*（1+5） *1000=208 V C U 由 r pg IUS E得， 2 () P g I E US 369.8 lx 在光照度在 3lx 时，入射辐射很弱，r=1，由 P g I U S E =2200.002*（5+R）*1000，推出 R=820，故应将 R 值调到 820。 2.5 解：由 12 21 lglg lglg RR r EE 得=1835.6 21 (lglg) lg 1 10r EER R 2 2.6 解：由 12 21 lglg lglg RR r EE 得 lg550lg450 lg700lg500 r =0.596 当光照为 550lx 时，= 519.53 22 lg( glg) 1 10 Rr l EE R 1 当光照为 600lx 时，=493.3 22 lg( glg) 1 10 Rr l EE R 1 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 2.7 解：根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流 mA R UU I b wbb w 8 . 9 820 8 满足稳压管的工作条件 (1) 当 w U4V 时，mA R UU I e bew e 1 10*3 . 3 7 . 04 3 由 e bb p I UU R 0 得输出电压为 6 伏时电阻 1 R6K， 输出电压为 9 伏时电阻3K，故 2 R 1 21 lglg lglg 2 RR r EE =1； 输出电压为 8V 时，光敏电阻的阻值为 e bb p I UU R 0 =4K，代入 12 21 lglg lglg RR r EE 解得 E=60lx (2) 与（1）类似，得到 E=34lx (3) 当时，r=1,KRe3 . 3,1mAIeKRP6 解得KRp4 . 3 pebb RIUU 0 =8.6V 当时，r=1, KRe6,55 . 0 mAIeKRP6 解得KRp4 . 3 pebb RIUU 0 =10V (4) 电路的电压灵敏度)/( 1 . 0 4060 68 lxv E U Sv 2.8 解：选用光敏电阻 MG45-7，其值为 0.6，设计的电路图如教材 P41 图 2-14 所示，选 择 2CW12 型稳压二极管，其稳定电压值为 6V，1 b R ，由 12 21 lglg lglg EE RR 得 查表得当光照为 100lx 时，亮电阻为 100 100lg150lg lg10*100lg 6 . 0 3 R ，R=75， CCCC RIUU 0 ，输出电压的变化 , 2)()( 1221 CCCCCCCCCCC RIIRIURIUU 即, 2) 10*100 6 10*75 6 ( 33 c R得100 c R 2.9 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 2.10 解：在没有光照的情况下通过的电流 3 R A R U I w6 6 3 1 10*3 . 5 10*1 7 . 067 . 0 集电极电压 VRIUU CC 83.1010*220*10*3 . 512 36 311 在辐照度为 1mw/情况下通过的电流 2 cm 3 R A R U I W7 6 3 2 10*65. 2 10*2 . 0 7 . 067 . 0 集电极电压 VRIUU CC 17. 610*220*10*5 .2612 36 312 VUUU66. 417. 683.10 21 2.11 解：VU RR R U bb W th 612* 1 . 51 . 5 1 . 5 11 1 )6/12ln(10*1*10*)152 . 8()/ln()( 63 2thbbW UUCRRt16.08ms 2.12 解： （a）通过光照调节的电阻值从而动态的控制集成运放电路的放大倍数 P R （b）通过光照调节的电阻值从而动态的调节集成运放同向输入端的输入电压。 P R 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 光电技术第三章参考答案光电技术第三章参考答案 3.1 试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。 答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时， 二者的伏安特性曲线是一样的； 当有光辐射时， 则硅光电二极管的全电流为负值， 特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极 管的伏安特性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端 所加正向电压必须小于 0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于 反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压 Uth值。 3.2 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。 答：硅光电二极管的全电流方程为 ) 1()1 ( , kT qU De d eIe hc q I 式中，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。 光电流为 , )1 ( e d e h q I 无辐射时的电流为 ) 1( kT qU D eII 为暗电流，U为加在光电二极管两端的电压， D IT为器件的温度，k为玻尔兹曼常熟，q 为电子电荷量。 3.3 比较2CU型硅光电二极管和2DU型硅光电二极管的结构特点，说明引入环 极的意义。 答：2CU 型硅光电二极管是采用 n 型硅材料作基底，在 n 区的一面扩散三价元素硼而生成 重掺杂型层，型层和 n 型硅相接触形成 p-n 结，引出电极，在光敏面上涂上保 护膜。2DU 型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的 p 型硅材料做基底，在 p 型基底上扩散 五价元素磷，形成重掺杂型层，p 型硅和型硅接触形成 p-n 结，在区引出正极，并 涂以透明的作为保护膜， 基底镀镍蒸铝后引出负电极。 在硅光电二极管的制造过程中， 在光敏面上涂保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引 起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于中少量正离子的 静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形 p-n 结而将受光面包围起来，即 引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。 p p 2 2 SiO n n n 2 SiO 2 SiO SiO 3.4 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电 二极管的最高工作频率小于等于Hz？ 7 10 答：影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点： （1）在 PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间 dr ，即漂移时间； （2）在 PN 结区外产生的光生载流子扩散到 PN 结区内所需的时间 p ，即扩散时间； （3）由 PN 结电容、管芯电阻及负载电阻构成的 RC 延迟时间 j C i R L R RC 。 对于PN结型硅光电二极管， 光生载流子的扩散时间 p 是限制硅光电二极管 频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间 p 很长， 约为100ns，则其最高工作频率 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m Hzf p 7 10 1 此外，其频率响应特性还受延迟时间 RC 的影响。但是，在负载电阻低于 500时，时间常数在ns量级。因此，合理匹配负载电阻的大小，并从结构设计 方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件,可将延 迟时间 L R RC 及扩散时间 p 对硅光电二极管频率响应特性的影响降到最低。 3.5 为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增 大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下 的开路电压？ 答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的p-n结产生的光生载流子 数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅 光电池的开路电压表达式为) 1ln( D oc I I q kT U ，将 , )1 ( e d e h q I代入 的表达式并求关于 oc U 的一阶导数，令 0 max d dUoc ，求得最大开路电压。由 于输出电压 L kT qU DPLLRo ReIII)1(U，即包含了扩散电流 kT qU De I和暗电流 的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压。 D I oc U 3.6 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？ 答：硅光电池的内阻与动态结电阻Rsh及串联电阻Rs有关。在线性测量中， 动 态电阻Rsh值越大越好；串联电阻Rs通常很小，在一些计算中可忽略。由于负载 获得的功率，所以当选择负载电阻的值为最佳负载电阻值时，即若满 足 LLL RIP 2 0 Lopt RR L dL dP 则硅光电池的输出功率最大。 3.7 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？ 答：光生伏特器件有以下几种偏置电路： （1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最 佳负载电阻时具有最大输出功率。 其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系 很差，在实际测量电路中很少应用。 （2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN 结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动， 使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽， 被广泛应用于大范围 的线性光电检测与光电变换中。 （3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流与入射辐射量成线 性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。 SC I 3.8 解： （1）由题意，在温度为300K条件下，当辐照度为时， 开路电压，短路电流 e E 2 /100cmmW mWUoc550mAIsc6，则由 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m ) 1ln( D oc I I q kT U 及 , )1 ( e d sc e h q II得，在室温情况下，辐照度为 ，时 2 /50 1 cmmWEe mAI E E II sc e e sc 36 100 50 1 1 1 ， 11 1 1 1 DD ococ I I I q KT I I In q KT UU 又TT 1 而 mAA e e I I kT qU D oc 912 3001038. 1 10550106 . 1 3 10529. 310529. 3 1 106 1 23 319 则相对于非常小， D I I mVV I I q KT II II q KT UU D D ococ 18018. 0 6 3 ln026. 0lnln 11 1 所以 mVUU ococ 5321855018 1 （2）由于运放的开环增益，故可将电路视为零伏偏置电路，则 5 10A mA R U IRIU f o scfsco 0416. 0 24 1 22 22 2 /69. 0100 6 0416. 0 cmmWE I I ，E e sc sc e 则 3.9 解：由题意，当T=300K，时， 2 /100cmmWEe mAImVU SCoc 28,550，则由 1ln D oc I I q kT U 以及 , )1 ( e d sc e hv q II 得mAI E E II sc e e sc 5628 100 200 1 11 11 1 1 1 DD ococ I I I q KT I I In q KT UU 又TT 1 而mAA e e I I KT qUoc D 912 026. 0 10550 3 10244.1810244.18 1 1028 1 3 则相对于非常小， D I I 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m mVV I I q KT II II q KT UU D D ococ 18018. 0 28 56 ln026. 0lnln 11 1 所以 mVUU ococ 568018. 0 1 则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压mVUU ocm 8 .3406 . 0 1 而此时的输出电流近似等于光电流，即mAIIm56 1 则获得最大功率的最佳负载电阻08 . 6 56 8 . 340 m m l I U R 最大输出功率 mWIUP mmm 08.1910568 .340 3 转换效率%54 . 9 1200 08.19 11 SE PP e m e m m 3.10 解：参见教材习题 P77 例 3-2 3.11解：由题意，当最高入射辐射功率为400uW时，拐点电压为1.0V，则由 得 iep SI , uAI p 1604 . 0400，uAIII Dpb 8 .1592 . 0160 由mAuAII be 15. 88 .159511 又VUUUU bezbbo 3 .107 . 0112 则1260264. 1 15. 8 3 . 10 0 K I U R e e 由，则 eii ESIuAI20504 . 0 从而mAuAIIe02. 1102020511 所以有输出电压的变化量为VRIU ee 285. 1126002. 1 0 3.15答：PSD即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是 一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维 PSD器件和二维PSD器件。用一维 PSD 来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下 图所示 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即 L II II xA 12 12 所输出的总光电流为 21 IIIP 3.16 答： 理想的PSD器件要求P型层不仅是光敏层， 而且是一个均匀的电阻层。 电阻的均匀程度直接影响到光斑左右两侧的光电流差值的准确性。很显然，由于 受制造工艺的影响，不可能做到电阻分布严格均匀，事实上距离中心较近的位置 电阻均匀性较好，而偏离中心的位置电阻均匀性差。因此，检测的误差随位置偏 离而增大。 3.17 D A D B 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 光电技术第四章参考答案 4.1 何谓“光电发射阈值”？它与“逸出功”有什么区别？引入“光电发射阈值”对分析光电效应 有什么意义？ 答：电子由价带顶逸出物质表面所需要的最低能量，即为光电发射阈值。而逸出功是指电子 逸出材料表面克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用所做的功。 引入光电发射阈值对于 研究材料的光电发射长波限以及热噪声都具有很重要的意义。 4.2 真空光电倍增管的倍增极有哪几种结构？各有什么特点？ 答：常用的倍增极材料有以下几种： 锑化铯（CsSb）材料：具有很好的二次电子发射功能， 它可以较低的电压下产生较高的 发射系数，电压高于 400V 时的 值可高达 10 倍。但是，当电流较大时，它的增益将趋于 不稳定。 氧化的银镁合金（AgMgOCs）材料：也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次 电子发射的能力稍差些， 但是， 它可以在较强电流和较高的温度 （150） 下工作。 它在 400V 电压时的发射系数 值最大，约为 6。 铜-铍合金（铍的含量为 2%）材料：也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数 比银 镁合金更低一些。 新发展起来的负电子亲和势材料 GaPCs,具有更高的二次电子发射功能，在电压 1000V 时，其倍增系数一般大于 50，甚至高达 200。 4.3 为什么常把光电倍增管的光电阴极做成球面？这样设计有什么优越性？ 答： 球面型光电阴极的阴极表面分布比较均匀， 而且从阴极中心和边缘发射的电子的轨迹长 度相差甚小，可使渡越时间的离散性接近于零。 4.4 何谓光电倍增管的增益特性？光电倍增管各倍增极的发射系数与哪些因素有关？最主 要的因素是什么？ 答： 电流放大倍数表征光电倍增管的增益特性， 它不但与倍增极材料的二次发射系数 有关， 而且与光电倍增管的级数 N 有关。光电倍增管的各倍增极的发射系数 与一次电子的加速 电压 Vd、倍增极的材料和结构有关。在几十几百伏范围时，。其中 C 是常数， k 与倍增极的材料和结构有关。最主要的因素是一次电子的加速电压。 k d VC 4.5 光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？ 答： 产生暗电流的原因主要有： 欧姆漏电 热发射 残余气体放电 场致发射 玻璃 壳放电和玻璃荧光 降低暗电流的方法主要有：直流补偿 选频和锁相放大 冷却光电倍增管 增加 电磁屏蔽 采用磁场把未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉。 4.6 光电倍增管的主要噪声是什么？在什么情况下热噪声可以被忽略？ 答：光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载噪声组成。只要阳极负载电阻 Ra 满足： 2 2 4 GqI KT R k a 则电阻的热噪声就远远小于光电倍增管的散粒噪声，这时就可以忽略热噪声。 4.7 怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关 系？ 答： 光电倍增管阴极电流与入射光谱辐射通量之比称为阴极灵敏度， 阳极电流与入射光谱辐 射通量之比称为阳极灵敏度。 阴极灵敏度表征了光电倍增管阴极材料的一次发射能力， 而光 电倍增管的阳极灵敏度则反应了倍增极材料的二次电子发射能力。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 4.8 为什么光电倍增管不但要屏蔽光， 还要屏蔽电与磁？用什么样材料制造光电倍增管的屏 蔽罩才能达到既屏蔽光、屏蔽电又能屏蔽磁的目的？屏蔽罩为什么必须与玻璃壳分离至少 20mm？ 答： 因为光电子在电场或磁场的作用下将会偏离正常的运动轨迹， 引起光电倍增管的灵敏度 下降，噪声增加。为了减少外部电场和磁场对光电倍增关工作的影响，一般须在管子外部加 一个屏蔽罩。 应该用高磁导率的材料来制造光电倍增管的屏蔽罩。 当光电倍增管负高压使用 时， 金属屏蔽层与玻璃层之间的电场很强， 尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极之间的电 场最强。 在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光， 放电和荧光都会引起暗电流， 而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽罩与玻璃壳之间距离至少应为 20mm。 4.9 什么叫光电倍增管的疲劳与衰老？两者的差别使什么？能在明亮的室内观看光电倍增 管的结构么？为什么？ 答： 在较强辐射作用下倍增管的灵敏度下降的现象称为疲劳。 光电倍增管在正常使用的情况 下，随着工作时间的积累，灵敏度也会下降，称为衰老。两者的区别在于，疲劳是暂时的现 象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来，而衰老是永久的，是不 能恢复的。不能，因为这样做，会使光电倍增管的阳极长时间暴露在强辐射下，引起光电倍 增管的疲劳和衰老效应。 4.10 光电倍增管的短波限和长波限由什么因素决定？ 答：主要由光电阴极材料和窗口材料决定。 4.11 某光电倍增管的阳极灵敏度为 10A/lm，为什么还要限制它的阳极输出电流在 50100A？ 答：因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。 4.12 已知某光电倍增关的阳极灵敏度为 100A/lm，阴极灵敏度为 2A/lm，要求阳极输出电 流限制在 100A 范围内，求允许的最大入射光通量。 解： lm SG I I IGSI S S G k xoma v vk k a 6 max 7 10 105 所以最大入射光通量为 10-6lm 4.13 光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电， 试说明这两种供电电路的特点， 举例说明它们分别适用与哪种情况？ 答： 负高压供电可消除外部信号输出电路与阳极的电位差， 因而光电倍增管的输出电流可直 接与电流计或电压转换的运算放大器相连， 适用与微弱信号检测中。 正高压供电采用耐高压 的耦合电容来输出信号，这种方法适用于交流或脉冲信号测量系统中。 4.14 光电倍增管 GDB44F 的阴极光照灵敏度为 0.5A/lm，阳极灵敏度为 50A/lm，要求长期 使用时阳极允许电流限制在 2A 以内。求： （1）阴极面上允许的最大光通量。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m （2）当阳极电阻为 75K 时，最大的输出电压。 （3）若已知该光电倍增管为 12 级的 Cs3Sb 倍增极，其倍增系数,实计算它 的供电电压。 7 . 0 )(2 . 0 DD U （4）当要求输出信号的稳定度为 1%时，求高压电源电压的稳定度。 答： （1） lm S I S IS I S S I I k k k a ak k k a k a 8 6 14 14 66 104 105 . 0 102 102 50 105 . 0102 (2) VRIU aaa 15. 01075102 36 maxmax (3) 对于 Cs3Sb 倍增极材料有经验公式： 8 6 101 105 . 0 50 k a S S G N G 642. 4 7 . 0 )(2 . 0 DD U VUDD89 2 . 0 7 . 0 总电源电压为 VUNU DDbb 5 .1201)5 . 1( (4) %112 bb bb bb bb U U U U n U U %083. 0 bb bb U U 4.15 当用表 4-4 所示的光电倍增管 GDB-151 设计探测光谱强度为光谱时，若要 求输出信号电压不小于 0.3mV，稳定度要求高于 0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。 lm 9 102 答：根据题目的输出电压幅度要求和 PMT 的噪声特性，可以选择阳极电阻 Ra=82k，阳极 电流应不小于 mina I 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m M I U R AII ASGSI VUNU VU I I G ASI ARUI Ri DD i amRi vmkvmaam DDbb DD N k a vkk aoa 1600 104 640 )(10410 )(104 )(640)5 . 1( )(61 2 . 0 556. 3 1091 . 0 104 1065. 3 )(1041021020 )(1065 . 3 1082 103 . 0 / 9 9 9 7 . 0 5 14 9 1496 9 3 3 min 4.16 设入射到 PMT 光敏面上的最大光通量， 当采用 GDB-239 型倍增管作 为光电探测入射时，已知 GDB-239 为 11 级的光电倍增管，阴极为 AgOCs 阴极，倍增极为 AgMg 合金材料， 阴极灵敏度为 10A/lm.若要求入射通量在时的输出幅度不低于 0.15V，试设计该 PMT 的变换电路。若供电电压稳定度只能做到 0.01%，试问该 PMT 变换 电路输出信号的稳定度最高能达到多少？ lm V 6 108 8lm 6 10 答：(1)计算供电电源的电压 根据题目的输出电压幅度要求和 PMT 的噪声特性，可以选择阳极电阻 Ra=75K,阳极电流 应不小于，因此 mina I )(2 75 15. 0 min A R U I a O a 入射光通量为时的阴极电流为 lm 6 108 )(10801081010 666 ASI vkk 此时，PMT 的增益为 513. 2 105 . 2 1080 2 4 6 min N k a G I I G 对于 AgMg 合金材料有： DD U025. 0 )(101 025. 0 513. 2 VUDD 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 总电源电压为： )(1257)5 . 1(VUNU DDbb （2）计算偏置电路电阻链的阻值 amRi vmkam II AGSI 10 )(21081010105 . 2 664 则有 )(20AIRi 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 光电技术第六章参考答案 6.1 为什么说发光二极管的发光区在 PN 结的 P 区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？ 答：对于 PN 结注入发光的发光二极管，当 PN 结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当 加正向偏压时，PN 结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并 主要发生在 P 区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相对运动，即 电子由 N 区向 P 区运动， 而空穴向 N 区运动。 但由于电子的迁移率 N 比高空穴的迁移率 P 20 倍左右，电子很快从 N 区迁移到 P 区，因而复合发光主要发生在 P 区。 6.2 为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？ 答：由于 LED 的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要 求有非平衡载流子的相对运动，使电子由 N 区向 P 区运动，而空穴由 P 区向 N 区运动。在 不加偏加或加反向偏压的情况下，PN 结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结 果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使 LED 发光。因 此，要使 LED 发光，必须加正向偏压。 6.3 发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？ 答：发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形 状和封装方式无关。 无论什么材料制成的 LED， 都有一个相对光强度最强处 （光输出最大） ， 与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长 P 。在 LED 谱线的峰值两侧处，存在 两个光强等于峰值一半的点， 分别对应 PP ， 它们之间的宽度即为半谱线宽 度，也称半功率宽度，它是一个反映 LED 单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性 越好，发光功率集中于半谱线宽度内。 6.4 产生激光的三个必要条件是什么？ 答： 产生激光的三个必要条件是：（1） 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去， 为此需要泵浦源； （2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗； （3）有一个谐振 腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。 6.5 半导体激光器有什么特点？LD 与 LED 发光机理的根本区别是什么？为什么 L