科学出社江文杰编著《光电技术》习题答案第章.pdf

1 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 第第 4 章 光伏探测器章 光伏探测器 4-1 （1）证明：光电二极管输出的光电流() p0 e/Ih=，式中：0为入射辐射功率，e 为电子电量，为量子效率，hv 为入射光子能量； （2）通常光电二极管的内增益 M=1，不会 出现 M1。试从光伏效应的机理上加以解释。 答： （1）单位时间内入射光子数() 0/ Nh=，则单位时间内产生的光生电子-空穴对数 () 0/ NNh = =；故() p0/ Ieh= （2）光电二极管是依靠结区的内建电场的作用，将光照时产生的光生电子-空穴对分离， 在 PN 结的两则出现光生电动势。内部没有增益机制使得输出的载流子数目增加，从而不会 出现内增益 M1；只要保证光敏面很薄，即保证载流子的扩散时间远小于它们的平均寿命， 所有光生载流子都能达到结区，实现分离而形成光生电动势，即光电二极管的内增益 M=1。 4-2 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。 试从光电导效应和光伏效应的机理 上加以解释。 答：从器件的光-电的响应过程来分析。光电导探测器的工作机理：将光照时产生的光生载流 子直接输出形成电信号。以线性光电导探测器为例，它的响应时间决定于器件载流子寿命， 一般光电导材料载流子寿命为毫秒-秒量级。 光伏探测器的工作机理： 光照时产生的光生电子-空穴向结区扩散， 依靠结区的内建电场 的作用分离光生电子-空穴，并在 PN 结的两则出现光生电动势。因此，光伏探测器的光-电 响应时间包括扩散时间、漂移时间，其中扩散时间指光生电子-空穴对扩散到结区的时间，一 般光敏面很薄，使得扩散时间远小于载流子寿命（约为 10-9s 量级） ；漂移时间指光生电子-空 穴在电场作用下通过结区的时间（约为 10-11s 量级） 。 4-3 图 4-46 中，用 2CU 型光电二极管接收辐射通量变化为 =(20+5sint)W 的光信号， Rb=RL=125k。2CU 的参数是：光电灵敏度 S=0.6AW，结电容 Cj=3pF，引线分布电容 C0=3pF。 （1）画出图 4-的等效电路图； （2）求低频时交流输出电压 UL的有效值； （3）上限截止 频率。 解：(1)图 4-46 的等效电路如图 图 4-46 题 4-3 图 2 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 (2)由等效电路图，光电二极管的输出的交流电流由两个电容和两个电阻分流，总电容 为 1j0 CCC=+，总电阻为 1bL /RRR=，流过 RL的交流电流最大值 () m1 Lmm1Lm1L 2 11L 11 11 / 1 SR IIRRSRR i Ci CR C R = + 低频时，流过 RL的交流电流最大值交流输出电压 UL的有效值 b1 Lmmm LbL 125 0.651.5A 125125 RR ISS RRR = = + 交流输出电压 UL的有效值 LLmL/ 21.5A 125k/ 2132.6mVUIR= (3)上限截止频率 HC 312 11 11 424.6kHz 125 2 23.14106 10 2 f RC = 4-4 在光通讯系统中，发射端功率l0mW，光传输到接收端的损耗为30dB，InGaAs接收光 电二极管对发射的1.3m波长光信号的响应率为0.8A/W，暗电流为5nA。接收端所用电路 如图4-所示，系统带宽为100MHz。求Ui处的电压信噪比和Uo处信号电压（不考虑1/f噪 声及光电二极管的热噪声，T300K） 。 解：发射端功率l0mW，光传输到接收端的损耗为30dB，故接收端功率为10-5W。 (信号)光电流为 0.8A/W10-5W = 8W Ui处的信号电压为 Uis=8W50 = 0.4mV Ui处的噪声电压均方值 （考虑了光电二极管的散粒噪声电流流过负载电阻50的噪声电 压，负载电阻50自身的噪声电压） ： 2211 in 248.34 10 VUei f RkT f R= + = 图4-47 题4-4图 3 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 从而 噪声电压 2 in 9.1VU= Ui处的电压信噪比 2 400 43.9 9.1 is is u u = Uo处信号电压 osis 250k 10.4mV=20.4mV 5k UKU =+ 4-5 已知2CR太阳能光电池的参数为Uoc=0.54V，Isc=50mA，要用若干个这样的光电池组合 起来对0.5A、6V的蓄电池充电，应组成怎样的电路，画出电路图；需要多少这样的光电池 (充电电源电压应比被充电电池电压高1V左右)。 解：根据电路的性质，电压要求0.54n（6+1） ，所以至少要13个这样的电池串联；电流要 求0.05n0.5，所以至少要10个这样的电池组并联。 这样，10组并联，每组13个光电池串联。所以，至少应有130个蓄电池。 电路图（略） 。 4-6 硅光电池的开路电压为 Uoc，当照度增大到一定时，为什么不再随入射照度的增加而增 加，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? 答：开路电压是光电池的光生电动势，它是由PN结的内建电场分离光生电子-空穴对后产 生的。 开路电压随照度增大而增大， 但是当开路电压增大到与PN结接触电势差完全相抵 （此 时内建电场为零）时，则不会再增加。 同一照度下， 加负载后， 负载电阻与光电池内电阻串联， 内电阻上总会分去一部分电压， 所以负载上的输出电压总是会小于开路电压。 4-7 说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN管的频率特性为什么比普通 光电二极管好? 答：（一）PIN光电二极管 工作原理：PIN光电二极管是一种快速光电二极管，PIN光电二极管在掺杂浓度很高的 P型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体I，其基本原理与光电二极管 相同。但由于其结构特点，PIN光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。 特点：结电容小，频率相应高。最大特点是频带；可承受较高的反向电压，线性输出范 围宽；量子效率较高；不足是输出电流很小，约在微安量级。 PIN光电二极管频率特性比普通光电二极管好的原因：PIN光电二极管PN结间距离大， 结电容很小。由于工作在反偏状态，随着反偏电压增大，结电容变得更小，从而提高了PIN 光电二极管的频率响应。 4 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 （二）雪崩光电二极管（APD) （1）结构原理：雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作 的，其工作原理如下图所示。雪崩光电二极管工作电压很高，约为100200V，接近反向击 穿电压。结区内电场极强，光生载流子在这种电场中的得到了极大的加速，同时与晶格原子 发生碰撞产生电离， 产生更多的电子空穴对。 新生的电子空穴对在强电场作用下重复这一过 程，形成结电流的雪崩效应。 工作特点：灵敏度高；电流增益大，可达 23 1010? ；响应速度特别快，硅和锗雪崩光 电二极管带宽可达100GHz。 4-8 试述PSD的工作原理。与象限探测器相比，PSD有什么优点? 答：工作原理： 图一个PIN型一维PSD的示意图，其中图（a）为它的断面结构；图（b）为等效电路 图。该PSD包含有三层，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅 片上，P层不仅是一个光敏层，而且还是一个均匀的电阻层。 (a) PSD 断面结构 (b) PSD 等效电路图 PIN 型一维 PSD 示意图 当入射光照射到PSD的光敏层上时，在入射位置上就会产生与光能成正比的电荷，此 电荷以光电流的形式通过电阻层（P层）由电极输出。分析等效电路图可知，当器件P层的 电阻率分布均匀、 负载及电极接触电阻为零时， 由电极和电极输出的电流大小分别与光 点到各电极的电阻值（距离）成反比。设电极和电极 的距离为2L，电极和电极输 出的光电流分别为 I1和 I2，电极上的电流总电流 I0，则 I0 = I1+ I2。若以PSD的中心点位 置作为原点时，光点离中心点的距离为 x，则有 5 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 + = + = = L II II x I L xL I I L xL I 12 12 02 01 2 2 利用上式即可确定光斑的能量中心对于器件中心的位置 x，它只与 I1、I2电流的差、和之比 有关，而与总电流无关。 二维PSD原理，同理。 PSD优点：与象限式探测器相比，PSD对光斑的形状没有严格要求；光敏面上无象限 分割线，对光斑位置可以进行连续测量，位置分辨率高。 4-9 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图4-48所示。 当入射辐射通量为60+40 sint lm 时， 要在负载电阻上得到不小于5V的有效值输出电压， 试设计该光电三极管的偏置电路 （偏 置电压和偏置电阻） ，并画出输入/输出的波形图。 解：要在负载上得到不小于5V的有效值输出电压，那么输出电压的最大值为： MAX 5 2V7VU=； 所以输出电压的峰峰值为： P-PMAX 214VUU=； 合理选择拐点电压： MM 6.5V4mAUI=； 由于 bP-PM UUU+； 所以选择Ub=24V bM L M 4.375k UU R I =； 图4-48 题4-9图 6 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 作图如下： 4-10 图4-49示出了一种用光电耦合器件隔离的高压稳压电路，试说明它的特点、工作原理 及对光电耦合器的要求。 答：（1）特点：低压信号通过光电耦合器控制高压信号，实现电气隔离，安全操作； （2）工作原理：若输出电压提高，则T3管电流增大，光电耦合器件中发光二极管光 亮增加， 光电三极管输出电流增加， 导致T1管输出电流减小， 输出电压降低,从而实现稳压； （3）要求光电耦合器输出耐高压1500-2000以上。 4-11 用2DUl光电管探测缓变辐射通量。设最大辐射通量=100W，其拐点电压UM=10V， 电源电压Ub=15V，2DU1的灵敏度S=0.4AW，暗电流ID=0.1A。求保证最大信号输出 时的负载值为多少？画出电路图并计算在辐射通量变化10W时，输出电压的增量值。 解：由伏安特性曲线可知，暗电流值对应伏安曲线与零辐射通量的交点。所以结间漏电导 d b 0.1A1 S 15V150 I G U = 最大信号输出时的负载值为： bM L M 15V 10V 124.8k 1 10VS0.4A W 100W 150 UU R U GS = + + 图 4-49 题 4-10 图 7 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 L 0.4A W 10W 0.5V 111 S 124.8k150 S U G R = + 4-12 查表，将几种硅光电器件的参数填入下表（其中比探测率 D*需要计算） ： 类型 型号 光敏面直径 （mm） 暗电流 （nA） 比探测率 D* （cmHz1/2/W） 响应时间 （ns） 硅光电二极管 2CU1A 2 200 3.51012 100 硅光电三极管 3DU11 300 * 4 10 硅PIN光电二极管C30807E 1 1 2.951012 3 硅雪崩光电二极管 C30817E 0.8 50 1.01013 2 4-13 利用高速光电耦合器，可以实现计算机主机与用户终端的有效隔离。试设计该光电耦 合器电路。 解：可参考：缪家鼎，徐文娟，牟同升. 光电技术. 杭州：浙江大学出版社，1994，P162-163 结构图 电路图 4-14查找“基于PSD的光电水准仪”的资料，说明它的系统结构和工作原理。 解：可参考：黄梅珍. 位置敏感探测器的研究. 浙江大学博士学位论文，2006 8 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 4-15利用光电测量的方法，可以实现非接触测量。试用你所学过的知识，设计一个光电测