习题课 光电技术练习册修订版答案2015.docx

姓名 班级 学号 第1章 辐射度学与光度学基础一、选择题（单选或多选）1. 为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适合的辐射度量是（d） a 辐照度 b 辐强度 c 辐出度 d 辐亮度解析：a辐强度(辐射强度)为点辐射源在某一方向上单位立体角内所发出的辐通量;b.受照物体单位面积上所接收的辐通量称为辐照度(辐射照度)；c.辐出度表示辐射体在不同方向上的辐射特性，但不能表示辐射体表面不同位置辐射特性。d.辐射源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐亮度(辐射亮度)2. 已知某辐射源发出的功率为1w，该波长对应的光谱光视效率为0.5，则该辐射源辐射的光通量为（b） a 683lm b 341.5lm c 1276lm d 638lm解析：3. 电磁波谱中可见光的波长范围为（a）a 0.380.78um b 0.381um c 13um d 812um4. 下列选项中的参数与接收器有关的有（a,d）a曝光量 b.光通量 c.亮度 d.照度解析：a. 与辐照量he对应的光度量是曝光量hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度ev在时间t内的积分，即hv=evdtb. 单位时间内通过某一面积的光能量称为光通量，人眼所能感觉到的辐射功率。c亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）亮度是人对光的强度的感受。d光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量。5. 100w标准钨丝灯在0.2sr范围内所发出的辐射通量为（a.） a. b. c. d. 解析：辐射强度为对应于0.2sr范围的辐射通量为二、判断题1. 辐射通量与光通量的单位是相同的。(错)解析：辐通量计量单位为瓦(w)或焦耳每秒(j/s)；光通量单位为流明(lm)，1 lm=1cd/sr。2. 朗伯辐射体的辐射出射度等于他的辐射亮度。（错）解析：对于朗伯辐射体的辐出度等于它的辐亮度与的乘积。3. 被照明物体表面的辐射照度和光源与物体表面的距离平方成反比。（对）解析：平方反比定律：点光源在距离处所产生的光照度与发光强度成正比，与距离平方成反比。4. 辐射出射度me与辐射照度ee的定义式都是：某点处面元的辐通量除以改面元的面积的商，所以这两个物理量是具有相同的概念。（错）解析：不能将辐照度和辐出度混淆起来。定义不一样，一个接收，一个是发射的辐通量。5. 在对具有一定量度和颜色的非黑体辐射体的温度标测中，亮温度与实际温度的偏差最小，色温度次之，辐射温度与实际温度的偏差最大。（错）解析：色温与实际温度偏差最小，亮温度次之，辐射温度与实际温度的偏差最大。6. 在弱辐射作用的情况下，半导体的光电导效应与入射辐射通量的关系是线性的。（对）解析：（2.2光电效应那一节）在弱辐射作用下的半导体材料的电导 与入射辐射通量成线性关系。三、计算题1. 试写出、光度量之间的关系式，说明它们与辐射度量之间如何转换。答：光通量(luminous flux)：单位时间内通过某一面积的光能量称为光通量，用符号表示，单位为流明（lm），1 lm=1cd/sr。光通量是按人眼的视觉强度来度量的辐射通量，它和辐射能的波长有关。由定义有，光出射度(luminous exitance)：光源单位发光面积上发出的光通量称为光出射度，单位为勒克斯（lx）。根据光出射度的定义，有 发光强度(luminous intensity)：点光源在给定方向的立体角元内发射的光通量为，与该方向立体角元之比定义为点光源在该方向的发光强度，即 光照度(illumination)：单位受照面积上接收的光通量称为光照度（），单位为勒克斯（lx）。根据光照度的定义，有 ；1 lx等于1m2面积上发出或接收1流明的光通量，即1 lx=1lm/m2。光通量和光谱辐射通量满足一定的关系，其关系式可以表示为， 式中为人眼的光谱光视效率，km为光度参量对辐射度参量的转换常数。2. 波长为532nm （v（0.532um）=0.88）的绿光固体激光器输出功率为15w，均匀的投射到0.2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.9，其光出射度为多少？答：由题意有 =15w，又v（0.532um）=0.88光通量 = =6830.8815=9.016103 lm，屏幕上的光照度 = =9.016103/（0.210-4）=4.51108 lx若屏幕的反射系数是0.9，则光出射度为 =0.94.51108=4.06108 lx3. 某半导体激光器发出波长为642nm的激光束，其功率为100mw，光斑发射角为0.6mrad，光束直径为1.22mm。试求：（1）当v0.6428=0.160时求此光束的辐射通量、光通量、发光强度、光出射度各为多少？（2）若将其投射到100m远处的屏幕上，屏幕的光照度为多少？答：（1）半导体激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通量为 =100mw。可计算出它发出的光通量为 = ，又=683lm/w，v0.6428=0.160，带入数据计算得为10.928 lm。发光强度= ，由空间立体角的定义，将光束平面发散角转换= 0.610-3 rad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，则=；所以发光强度= =光出射度 = = 10.928/（0.00122/2）2）=9.35106lx（2）激光投射到100m远处屏幕上，可得接受面半径30.61mm面积a=2.94；屏幕的光照度为 =3.71lx4. 一支白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面2m的高处，用照度计测得正下方地面上的照度为30lx，该白炽灯的光通量。答：5. 求辐射亮度为l的各向同性面积元在张角为的圆锥内所发射的辐射通量。答：辐射通量，同时，有，当张角较小时有， ps：课本上的立体角的公式中表示的是半顶角，本题中表示的是张角。第2章 光电探测器理论基础一、选择题（单选或多选）1.被光激发产生的电子溢出物质表面，形成真空中的电子的现象叫做（b） a内光电效应 b. 外光电效应 c.光生伏特效应 d.丹培效应2.半导体（a）电子吸收光子能量跃迁入（），产生电子空穴对的现象成为本征吸收。 a.价带，导带 b.价带，禁带 c.禁带，导带 d.导带，价带3.一个电阻值为1000欧姆的电阻，在室温下，工作带宽为1hz时，热噪声均方根电压为b a 3nv b 4nv c 5nv d 6nv4. 已知一束激光功率为30mw、波长为0.6328um，普朗克常数则该激光束的光子流速率n为（a）。 a. 9.551016个/秒b. 9.551019个/秒c. 2.871025个/秒d. 2.871022个/秒5. 某半导体光电器件的长波限为13um，其杂质电离能为（b） a. b. c. d. 6.已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4um，则该材料的禁带宽度为（b） a. b. c. d. 7.对于n型半导体来说，以下说法正确的是(a)。a 费米能级靠近导带底 b 空穴为多子 c 电子为少子 d 费米能级靠近靠近于价带顶二、判断题1比探测率是一个与工作频率、测量带宽无关的常数。 （错）2探测率是一个反映探测器探测能力的物理量，探测率越大，说明探测器的探测能力越强。（对）3噪声等效功率是信噪比为1时，入射到探测器上的信号辐射通量。（对）4.1/f噪声是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在这种噪声。（对）5.量子效率是在特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。（对）6.波长长于本征吸收的光波长波限的入射辐射能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。（错）7.杂质吸收的长波限总要长于本征吸收的长波限。（对）8.可以引起光电效应的光吸收包括本征吸收，杂质吸收，激子吸收，自由载流子吸收和晶格吸收。（错）三、计算题1. 温度为300k的本征硅半导体载流子浓度为，禁带宽度为1.12，计算掺入硼原子后硅中电子和空穴的浓度以及费米能级。答：空穴浓度为；电子浓度为p型半导体的费米能级为距离导带0.85ev， 距离价带0.27ev2. 已知本征硅材料的禁带宽度，求该半导体材料的本征吸收长波限。答：由，又=1.2 ，则 3. 温度为300k时1的电阻工作在100hz带宽内产生的均方噪声电压和均方噪声电流。答：，； 4. 探测器的d*=1011 cmhz1/2/w，探测器光敏面积的直径为0.5cm，用于=5103hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？答：由和有5. 某型号硅apd光敏面直径为0.5mm，等效噪声功率为3，电流灵敏度为77a/w，求该光电探测器的比探测率。答：6. 某一金属光电发射体有2.5ev的逸出功，并且导带底在真空能级下位7.5ev。试计算：(1)产生光电效应的长波限；(2)产生费米能级相对于导带底的能级。答：可知电子亲和势等于真空能级与导带底能级之差： 同时，金属材料的电子逸出功定义为t=0k时真空能级与费米能级之差，光子的最小能量必须大于光电材料的逸出功，才能够使电子逸出物质表面，这个最小能量对应的波长即为长波限：，7. 试求一束功率为30mw、波长为0.6328um的激光束的光子流速率n。答：依题意，设光子流速率为n个/秒，则=又=30mw，=0.6328um，所以n= 9.541016个/秒第3章 光电探测器中的常见光源一、选择题（单选或多选）1.常用的激光器有（acde）a. 气体激光器 b.液体激光器 c.固体激光器 d.染料激光器 e 半导体激光器2.按发光机理分类，常用光源有（ abcd ）a. 发光二极管 b.激光器 c.气体放电 d.热辐射 e 太阳3.光源的光谱功率分布通常可以分为（abcd）a. 线状光谱 b.带状光谱 c.连续光谱 d.混合光谱4.光电探测系统对光源选择的主要要求有（abcd）a. 光谱特性要求 b.发光强度要求 c.光源稳定性要求 d.发光效率要求5.某光源的发光效率为90100lm/w，该光源可能是（c）a. 普通荧光灯 b.高压汞灯 c.高压钠灯 d.卤钨灯6.连续波半导体激光器输出功率约为（b）a. 小于1mw b.几毫瓦到数百毫瓦 c.几瓦 d.几百瓦7. 黑体是指（b）a.反射为1 b.吸收为1 c.黑色的物质 d.不发射电磁波9.普通荧光灯的发光效率约为（b）lm/wa.1020 b.3560 c.100150 d.6010010 led的响应时间大约是（c）数量级a.秒 b.毫秒 c.微秒 d.纳秒二、判断题1. 发光效率是光源发射的光通量与所需的电功率之比。（对）2. 物体温度升高时，辐射峰值波长向长波方向移动。（错）3. 氮化物蓝或紫led的管芯中加上三基色荧光粉可激发出白光，成为白光led。（对）4. 超高亮度led是指辐射功率高，法向发光强度在1000mcd以上的led，光效可以达到50100lm/w。（对）5. 发光二极管辐射光的峰值波长与材料的禁带宽度eg无关。（错）6. led发出的光是基于受激辐射，发出的是相干光。（错）7. led的寿命通常小于106小时。（错）8. 若辐射源辐射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。（对）三、计算题1. 如书本图3-1所示，具有线状光谱或带状光谱特征的光源，能否用色温来描述？为什么？答：色温是颜色温度的简称。当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时,黑体温度称为发射体的色温。即色温是人眼主观色度感觉上把光源作为一定温度的黑体来描述。根据色度学,色具有同色异谱的性质,即相同的颜色可由具有不同的光谱能量分布特性的光构成。但对具有不连续光谱的发射体或具有连续光谱但其光谱能量分布特性与黑体相差甚大的发射体,也可用色温来描述。即具有线状光谱或带状光谱特征的光源也能用色温来描述。2. 试比较卤钨灯、超高压短弧氙灯、氘灯和超高压汞灯的发光性能。在普通紫外-可见光光度计(200nm800nm)中，应怎样选择照明光源？答：汞灯的分为低压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯；汞灯的发光特性：汞的气压越高，汞灯的发光效率也越高，发射的光也由线状光谱向带状光谱过度。超高压汞灯：汞蒸气气压为（10-20）mpa。光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。常作为点光源用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等。氙灯光谱分布与日光接近，色温6000k，亮度高，寿命可达1000 h。短弧氙灯：电极间距在数毫米量级，工作气压为12 mpa，是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。卤钨灯光谱分布与日光接近、发光效率高、色温稳定、几乎无光衰。在紫外分光光度计中，通常紫外区选择使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，可见区选择超高压短弧氙灯，红外区选择超高压汞灯。3. 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区运抵，而空穴向n区运动。但由于电子的迁移率比空穴的迁移率高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。4. 发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？答：led的发光光谱指led发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质及发光中心的结构所决定，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。5. 温度为300k时，gaas发光二级管的带隙为1.42ev，与温度的关系为。如果温度改变10，发射波长变化为多少？答：第4章 光电导探测器一、选择题（单选或多选）1.下列光电导器件中那些属于本证光电导器件（bcde）a锗掺汞 b.硫化镉 c.硫化铅 d.锑化汞 e 碲鎘汞2.光电导的单位（b）a.欧姆 b.西门子 c.流明 d 勒克斯3.氮化镓光电导器件的光谱响应范围为（a）a.200365nm b.400700nm c.7001100nm d 17um4.硫化镉光电导器件的光谱响应范围为（b）a.200365nm b.400700nm c.7001100nm d 17um5.常温硫化铅光电导器件的光谱响应范围为（d）a.200365nm b.400700nm c.7001100nm d 0.43um6. 常温碲化铟光电导器件的光谱响应范围为（c）a.200365nm b.400700nm c.17.5um d 0.43um7.光电导探测器的特性受工作温度影响（b）。 a.很小 b.很大 c.不受影响 d.不可预知二、判断题1. 电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。 (错)2. 某光电导器件的值时，背景光照越强，其值越小。 (对)3. 光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高光敏电阻的阻值也随之升高。 (错) 4. 光敏电阻的恒压偏置电路比恒流偏置电路的电压灵敏度要高一些。 (错) 三、计算题1. 设某只cds光敏电阻的最大功耗为30mw，光电导灵敏度s/lx，暗电导为零。试求当cds光敏电阻上的偏置电压为20v时的极限照度。答：由式得最大照度=1406.25 lx; 最小照度=37.5 lx2. 如图所示，设光敏电阻的光电导灵敏度为s/lx，=2，=30v。若光敏电阻所受的光照度，求负载电阻输出的 交流电压有效值。答：根据图4-22，可以得到等效电路图，如下图所示：首先求光敏电阻阻值：平均光电导为则光电阻为求光敏电阻两端电压求交流光电流求负载电阻的交流电压有效值：光电流分流到3.3k与2.0k的负载电阻上3. 在如图所示的电路中，已知，光敏电阻为，当光照度为40 lx时输出电压为6v，80 lx时为9v。设该光敏电阻在30100 lx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，输出电压仍然为8v，求此时的照度。 (3)若光敏面上的照度为70 lx，求与时输出的电压。 (4)求该电路在输出电压为8v时的电压灵敏度。答：根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流 满足稳压管的工作条件(1) 当4v时，由得输出电压为6伏时电阻6k，输出电压为9伏时电阻3k，故=1；输出电压为8v时，光敏电阻的阻值为=4k，代入解得e=60lx(2) 与（1）类似，得到e=34lx（一个e对应一个r）(3) 当时，r=1, 解得=8.6v;当时， =10.13v(4) 电路的电压灵敏度4. 如图所示，图中cds在时，；时，继电器j的线圈电阻、吸合电流为2ma，请计算：欲使继电器j吸合，照射到cds光照度最小值为多少？答：由 r=/= =210-5 (s/lx)而工作电流为2ma时，cds两端的压降是与此对应的cds 阻值相应地，照射cds的光照度应为即：照射cds的光照度不小于25lx时，都可以使j 吸合。第5章 光伏探测器一、选择题（单选或多选）1. 用光电法测量某高速转轴(15000r/min)的转速时，最好选用（d）为光电接收器件。apmt bcds光敏电阻 c2cr42硅光电池 d3du型光电三极管2. 若要检测脉宽为10-7s的光脉冲，应选用（a）为光电变换器件。apin型光电二极管b3du型光电三极管cpn结型光电二极管 d2cr11硅光电池3. 硅光电池在（d）偏置时，其光电流与入射辐通量有良好的线性关系，且动态范围较大。a恒流 b自偏置 c零伏偏置 d反向偏置4. 硅光电池在（b）情况下有最大的功率输出。a开路 b自偏置 c零伏偏置 d反向偏置5.光伏探测器的光电特性主要与（abcd）有关a材料 b.光照范围 c.负载大小 d.外加电压6.光伏探测器在正常使用时，常用的偏置方式有（ abc ）a自偏置 b.零偏置 c.反向偏置 d.正向偏置 e.恒压偏置二、判断题(对的打，错的打)1.光伏器件外加反向偏压时，暗电流随反向偏压的增加有所增大，最后趋近于反向饱和电流。（对）2.自偏压是指光伏探测器的输出电流流过外电路负载电阻产生的压降就是他自身的正向偏压。（对）3.光电池的主要用途为太阳能光电池和测量光电池。（对）4.雪崩光电二极管的最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。（对）5.硅光电池需要加偏压才能把光能转换成电能。（错）6.光电池通常工作在自偏置状态，用作弱光信号的线性测量或强光信号的存在探测。（对）7.光伏效应对光的吸收主要为非本征吸收。（错）8.用双结光电二极管作颜色测量时，可以测出其中两个硅光电二极管的短路电流比的对数值与入射光波长的关系。（对）9.psd是利用位置离子注入技术制成的一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件。（对）三、计算题1. 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 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 , 无辐射时的电流为, 为暗电流，为加在光电二极管两端的电压，为器件的温度，为玻尔兹曼常熟，为电子电荷量。2. 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107hz？怎样提高硅光电二极管的频率响应？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，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，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。对于pn结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间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，因此扩散时间很长，约为100ns，则其最高工作频率。此外，其频率响应特性还受延迟时间的影响。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,可将延迟时间及扩散时间对硅光电二极管频率响应特性的影响降到最低。3. 光生伏特器件有哪几种偏置电路？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。4. 在室温300k时，已知2cr21型硅光电池(光敏面积为5mm5mm)在辐照度为100时的开路电压为，短路电流。试求：（1）室温情况下，辐照度降低到50时的开路电压与短路电流。（2）当将该硅光电池安装在如图5-148所示的偏置电路中时，若测得输出电压，求此时光敏面上的照度。答：（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，则由及得，在室温情况下，辐照度为， 又而，则相对于非常小，所以（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. 一个pin光电二极管（si）的有效受光面积的直径为0.4mm。当波长为700nm强度为0.1mwcm-2的红光入射产生了56.6na的光电流。那么量子效率和响应度是多少？答： ； 6. 已知2cr44型硅光电池的光敏面积为10mm10mm，在室温为300k、辐照度为100时的开路电压，短路电流。试求：辐照度为200时的开路电压、短路电流、获得最大功率的最佳负载电阻、最大输出功率。和转换效率。答：由题意，当t=300k，时，则由 以及得，又而，则相对于非常小，所以，则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压，而此时的输出电流近似等于光电流，即则获得最大功率的最佳负载电阻最大输出功率，转换效率第7章 热敏探测器一、选择题（单选或多选）1.常用的热辐射探测器主要有(abcd)。 a热电偶 b.热敏电阻 c.热释电探测器 d热电堆 2.热探测器吸收低频交变热辐射能时，提高系统温升的办法有（ab）a.热探测器被涂黑 b.减小器件的热导系数 c. 增加器件的热导系数 d.增加降温系统3.提高热电偶的电压灵敏度方法有（abcde）a.选用赛贝克系数较大的热敏材料 b.将光敏面涂黑 c.减小内阻 d.减小调制频率 e 减小热导4.提高热敏电阻电压灵敏度的方法有（abcde）a.增加偏压 b.表面涂黑 c.真空封装 d.冷却 e 采用高热导衬底5.高频下，增加热释电电压灵敏度的主要方法有(bcd)a.增加偏压 b.表面涂黑 c.减小热释电的有效电容 d.减小热容 6.热释电探测器前面加菲涅耳透镜的作用是（ab）a.聚焦作用 b.成像分为明区和暗区 c.光束整形 d.让入射光