光电技术作业答案.pdf

作业 p33-3 如果忽略大气吸收，地球表面受太阳垂直照射时，每平 方米面积接受的辐通量为13.5KW。假设太阳辐射遵循兰伯特 定律，试计算它在每平米面积上发射的辐通量。（从地球看 太阳的张角为32） =32 E地 地=13.5 KW/m2 A地 地=1 m2 r R 太阳可看作 圆形面光源 亮度：Le太 面积：S太 地 地=A地地/R2 也可根据亮度守恒 =32 E地 地=13.5 KW/m2 A地 地=1 m2 r R 太阳可看作 圆形面光源 亮度：Le太 面积：S太 补充： 有一温度T=1000K，出口直径=6mm的黑体辐射源， 求距出口L=0.2m处的辐照度，若在距出口L=0.2m处 放置面积100mm2的光电探测器，该光电探测器接收到的辐 射功率。 S = r2 Me = T45.67W/cm2 Le = Me /=1.80W/cm2 r=3mm L 氦氖激光器发射出波长632nm的激光束3mW，此光束的光通 量为多少？若激光束的发散半角1mrad，放电毛细管的直径为 1mm，并且人眼只能观看1cd/cm的亮度，问所戴保护眼镜的透 射比应为多少？ 答：对于波长632nm的光，人眼的光谱光视效率为0.265 所以其光谱光视效能为 K=Km* V=638 * 0.265 lm/W=181 lm/W 故此光束的光通量为 v =K* P =181*0.003=0.543 lm 激光束的发散半角10-3 rad时，光线方向上的球面度为d=(10-3)2 * sr 放电毛细管的截面积为，dSn = r2= (0.005)2m2 故激光亮度为：Lv=v / (d dSn )=2.2*1011cdm2 故保护眼镜透射比为=Lmax/Lv=1cd/cm/2.2*10 11 cdm2=4.54*10-8 P33-5： 空腔处于某温度时m=650nm，如果腔壁的温度增加， 以致总辐射本领加倍时， m变为多少？ 第二章 P62 对光子探测器和热探测器特性上的差别列表作一比较。 光子探测器热探测器 原 理晶体中的电子吸收光 子能量跃迁到高能态， 从而特性发生变化。 材料吸收辐射温度 升高，从而特性发 生变化。 光谱响应 有长波限全波长均匀响应 响应时间 响应时间短响应时间长 响应度响应度高响应度低 第二章 P622 试以光电导探测器为例，说明为什么光子探测器的工作 波长越长，工作温度越低。 工作波长长，长波限长，禁带宽度或杂质电离能小，容 易产生热激发，需降低温度，以减少热激发概率，降低 暗电流和噪声。 第二章 P623 说明光电导器件、P-N结光电器件和光电子发射器件 的禁带宽度和截止波长的关系。 本征光电导：Eg：禁带宽度 杂质光电导：Ei：杂质电离能 P-N结光电器件： 光电子发射器件：EA:电子亲和势 第二章 P626 探测器的D*=1011cmHz1/2W-1,探测器的光敏面的 直径为0.5cm,用f=5103Hz的光电仪器，它能探测的 最小辐射功率为多少？ 第三章 P881 为什么负电子亲和势光电阴极材料的量子效率高，而且光 谱范围可扩展到近红外区？ 一般半导体光电子发射材料的长波限为hc/(Eg+EA),而负电 子亲和势材料的长波限为hc/Eg。对于许多常用光电子材 料，如Si的禁带宽度1.1ev，对应的长波限为1.1m， GaAs的禁带宽度1.4ev，对应的长波限为0.89m。因此长 波限扩展到了红外。 吸收光子跃迁到导带的电子，在向表面迁移的过程中 ，因与晶格碰撞而能量降低变为热化电子（能量接近导带 低）。对于负电子亲和势材料，热化电子也能逸出，因此 逸出深度深，量子效率高。 第三章 P883 光电倍增管的暗电流对信号检测有何影响，使用时如何减 少暗电流？ 暗电流为无光照时光电倍增管的输出电流，对测量缓变弱 信号不利。减少暗电流的方法： （1）对光电倍增管致冷，以减少阴极和倍增极的热电子 发射； （2）对暗电流进行补偿 （3）对光信号调制，并对光电倍增管输出信号滤波 第三章 P887 分析电阻分压器的电压再分配效应和负载电阻的反馈效应， 怎样才能减少这些效应的影响？ （1）分压电阻的电压再分配：当信号电流较大时，接近阳极的 倍增极从分压电阻链中取走的电流较大，影响了分压电阻两端 的电压：后几级电压减小，前几级电压增大，从而影响倍增系 数，产生非线性。 解决方法：减小分压电阻以提高分压电阻链电流；或用稳压管 替代后几级分压电阻；脉冲工作模式时，可在后几级分压电阻 上并联电容。 （2）负载电阻的反馈效应：信号电流较大时，负载电阻上的压 降较大，导致阳极和最后倍增极间电压减小，影响阳极对电子 的收集率，从而产生非线性。解决方法：减小负载电阻，或用 运放代替负载电阻。 第三章 P8812 (1) 画出具有11级倍增极，副高压1200V供电，均匀分压的光电 倍增管的工作原理图，分别写出各部分名称，标出Ik，IP，ID的 方向。 （2）若该倍增管的阴极灵敏度SK为20A/lm，阴极入射光的照 度为0.1lx，阴极有效面积为2cm2，各倍增极二次发射系数均相 等（=4），光电子的收集率为0.98，各倍增极的电子收集率 为0.95，计算放大倍数和阳极电流。 （3）设计前置放电路，使输出的信号电压为200mV。计算放大 器的有关参数，并画出原理图。 （1） -1200V GND 光阴极 阳极 D1 D2 D3 D11 RL IAID IK （2） G=(0.95)110.98=2.34106 IK=SKEA=200.1210-4A=410-4A IA=SKG=936A （3） RL=Vo/IA=214 -1200V GND 光阴极 阳极 D1 D2D3D11 RL IK 第四章 P118-1 1.光电导探测器响应时间受哪些因素限制？为什么光电导探测器的工作 频率不如光伏高，一般上限频率最高约多少量级？实际使用时，如 何改变其频率响应？ （1）一般光电导探测器的响应时间等于载流子寿命，某些光电导探测 器的响应时间还与光强有关。 （2）载流子产生率与光强有关，复合率与浓度有关。载流子的产生率 等于复合率时，载流子浓度达到平衡态。从光强变化到新的浓度平衡态 ，需要一定时间。而光伏探测器的原理是：光生电子和空穴在内电场作 用下漂移过结，形成光电流，光电流对光强的响应直接。 光电导探测器上限频率一般几百KHz到几MHz。 （3）一般光电导探测器的响应时间不随工作条件（如偏压和负载）变 化。抛物线型光电导，光强越大，响应时间越短。 第四章 P118-4 4.光电导探测器的内增益与哪些量有关？为什么说内增益系数是一个随 机变量？ （1）光电导探测器的内增益G =0/ d, 0为载流子平均寿命， d 为载流子渡越时间。 0=l/v，l为半导体长度，v为平均漂移速率。 （2）由于载流子平均寿命、渡越时间均为统计平均值，因此内增益也 是一个统计平均值。 主要掌握（1） 第四章 P118-5 5.已知CdS光电导探测器的最大功耗为40mW，光电导灵敏度 Sg=0.510-6s/lx，暗电导g0=0,若给CdS光电导探测器加 偏置电压20V，此时入射到CdS光电导探测器上的极限照 度为多少？ 2 2 22 0gg 3 226 () 40 10 200 200.5 10 g V PV g R VgSEVSE P Elxlx VS 第五章 P151-1 1.给出光伏探测器的光伏和光导模式，并比较其特点。 光伏模式无需偏压，工作于伏安特性的第四象限，输出电压与 光强非线性。光伏器件多工作于光导模式，包括反偏和零偏两 者偏置模式。反偏时工作于第3象限，有暗电流，零偏时工作 于I轴，无暗电流。光导模式时光电流与光强为线性关系。 RL E0 RL RL 光伏模式自偏 光导模式反偏 光导模式零偏 光照1 光照2 V I 光伏模式光导模式 偏置自偏（无需偏压）反偏零偏 伏安特性第四象限或V轴第三象限I轴 线性度非线性线性线性 暗电流无有无 名称光电池光电二极管 第五章 P151-2 2.光伏探测器工作于零偏下有哪些优点，工作于反偏下应注意 哪些问题。 零偏时无暗电流。反偏时，耗尽层宽，结电容小，响应速度有 改善。反偏时注意，工作电压小于反向击穿电压，IpRL应小 于电源电压。 RL E0 RL 反偏 零偏 光照1 光照2 V I 第五章 P151-3 3.光伏探测器的响应时间受哪些因素影响？常用光伏器件响应 时间为多少量级？提高响应频率有哪些常用方法。 光伏探测器的响应时间=n+d+c， n为扩散时间，d 为漂移时间， c=RLC,为电路的RC时间常数。一般响应时间达 ns级。提高响应频率的方法有：选用高速器件如PIN型、提高 反偏电压（以减小结电容）、采用较小负载电阻等。 第五章 P151-5 5.Si-APD与Si-PIN光电探测器特点（原理、特性、应用）。 Si-APDSi-PIN 原理 光生载流子在较强内电场作用下， 获得较高能量，与晶格碰撞时产 生电离，激发新的电子空穴， 新的电子空穴在电场作用下获 得能量，又产生新的激发，光电 流得到倍增。 其工作原理与PN结 光电二极管相似， 由于中间增加了本 征层，耗尽层宽度 大大增加。 特点 增益高、响应时间短、有非线性、 增益受偏压及温度影响大 响应时间短、暗电 流小、灵敏度高、 线性度好。 应用弱光探测、光子计数、光通信等应用广泛 补充： 图为一光伏探测器和一理想运算放大器构成的光电探测电路 ，无光照时输出电压0.6伏，在E=100lx的光照下，输出电压 2.4V。求光电探测器的暗电流和光电流灵敏度。 RL=1.5M D P I 0.6 I0.4 1.5 2.4 0.6 I1.2 1.5 1.2 S/0.012/ 100 P AA AA I A lxA lx E 暗电流 - 光电流 灵敏度 第五章 第六章 P170-2 2.通过测量热释电探测器的频率响应曲线能否确定热时间常数 H和电时间常数E ，如何确定。 能，热释电探测器的响应率为 其随的变化规律如图所示两个拐点（峰值的0.707）分别对 应1/H和1/E，一般HE。为确定哪个是1/H，哪个是 1/E，可改变RL重测， E对应的拐点位置会发生变化。 2222 R ( ) 11 DL V HE A R 1/H 1/E R 补充： 某无选择探测器，其光敏面积为50*50微米，比探测 率D*(500，800，1)=5*1010cm Hz1/2W-1，当探测电路带宽 为20Hz，调制频率为800Hz时，试求系统对温度800K，比 辐射率为0.7，直径为0.6m的飞机喷口在信噪