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光电技术综合习题解答 一 单项选择题 在光电倍增管中 产生光电效应的是 A 阴极B 阳极C 二次发射极D 光窗 光电二极管的工作条件是 A 加热B 加正向偏压C 加反向偏压D 零偏压 光电技术综合习题解答 一 单项选择题 在光电倍增管中 产生光电效应的是 A A 阴极B 阳极C 二次发射极D 光窗 光电二极管的工作条件是 C A 加热B 加正向偏压C 加反向偏压D 零偏压 辐射通量 光通量 发光强度 光照度的单位分别为 A 瓦特 流明 坎德拉 勒克司 B 瓦特 坎德拉 勒克司 流明 C 流明 瓦特 瓦特每球面度 瓦特每平方米 D 流明 瓦特 勒克司 坎德拉 在入射光辐射下 半导体的电导率增加的现象属于 A 外光电效应 B 光热效应 C 光电导效应 D 光生伏特效应 辐射通量 光通量 发光强度 光照度的单位分别为 A A 瓦特 流明 坎德拉 勒克司 B 瓦特 坎德拉 勒克司 流明 C 流明 瓦特 瓦特每球面度 瓦特每平方米 D 流明 瓦特 勒克司 坎德拉 在入射光辐射下 半导体的电导率增加的现象属于 C A 外光电效应 B 光热效应 C 光电导效应 D 光生伏特效应 二填空题1描述光电探测器光电转化能力的是量子效率 2任何物质 只要温度高于绝对零度 都具有发射辐射的能力 3氦氖激光器以直流电源驱动 4发光二极管是注入式电致发光器件器件 7光伏器件有光伏工作模式和光导工作模式两种工作模式 三简答题 1 掺杂对半导体导电性能的影响是什么 答 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级 价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去 要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多 因此虽然只有少量杂质 却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目 从而显著地影响半导体的电导率 2 光电倍增管的基本结构与工作原理是什么 答 光电倍增管由光入射窗 光电阴极 电子光学输入系统 光电阴极到第一倍增极D1之间的系统 二次发射倍增系统及阳极等构成 工作原理 光子透过入射窗入射到光电阴极K上 此时光电阴极的电子受光子激发 离开表面发射到真空中 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上 倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子 入射电子经N级倍增后 光电子就放大N次 经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来 形成阳极光电流 在负载RL上产生信号电压 3 半导体发光二极管的发光原理 答 半导体发光二极管的材料是重掺杂的 热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子 P区有较多的迁移率较低的空穴 由于PN结阻挡层的限制 在常态下 二者不能发生自然复合 而当给PN结加以正向电压时 沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧 于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方 处于高能态的电子与空穴相遇时 便产生发光复合 这种发光复合所发出的光属于自发辐射 辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 即 4 简述注入式半导体激光器的发光过程 答 注入式半导体激光器的工作过程是 加外电源使PN结进行正偏置 正向电流达到一定程度时 PN结区即发生导带对于价带的粒子数反转 这时 导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁 同时产生自发辐射 自发辐射出来的光 是无方向性的 但其中总会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的 往返于半导体之间 通过这种光子的诱导 即可使导带中的电子产生受激辐射 光放大 受激辐射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射 如此下去 在谐振腔中即形成了光振荡 从谐振腔两端发射出激光 只要外电源不断的向PN结注入电子 导带对于价带的粒子数反转就会继续下去 受激辐射即可不停地发生 这就是注入式半导体激光器的发光过程 9 简述光电耦合器件的电流传输比 与晶体管的电流放大倍数 的区别 答 晶体管的集电极电流远远大于基极电流 即 大 光电耦合器件的基区内 从发射区发射过来的电子是与光激发出的空穴相复合而成为光复和电流 可用 IF表示 为光激发效率 它是发光二极管的发光效率 光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数 一般光激发效率比较低 所以IF大于IC 即光电耦合器件在不加复合放大三极管时 小于1 1 在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头 已知探头的光敏面积为0 5cm2 若照度计测得的最大照度为100 lx 试求 1 标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少 2 钨丝灯所发出总的光通量为多少 解 首先计算光电探头对标准钨丝灯所张的立体角再计算光电探头所接收的光通量 v EvS 100 0 5cm2 5 0 10 3 lm 因而可以计算出灯在该方向上的发光强度IvIv v 5 0 10 3 1 25 10 5 400 cd 标准钨丝灯在整个球面空间各向同性发光 因此 灯所发出的光通量为 2 某输出功率为6mW的氦氖激光器 发出波长为0 6328 m的光束 均匀地投射到0 8cm2的白色屏幕上 已知屏幕的反射系数为0 96 设光速C 3 108m s 普朗克常数h 6 626 10 34j s 氦氖激光的视见函数V 6328 0 268 试求 1 幕的光照度为多少lx 2 幕的反射出射度为多少lx 3 幕每秒钟接收多少个光子 解 先将氦氖激光器输出单色辐射的辐射功率转换为光通量 v v KmV e 683 0 268 6 10 3 1 098 lm 白色屏幕上的光照度应为Ev v S 1 098 0 8 10 4 1 37 104 lx 幕的反射光照度为Evr rEv 0 96 1 37 104 1 32 104 lx 幕每秒钟接收的光子为 个 秒 3 在如图所示的恒流偏置电路中 已知Re 3 3k UW 4V Ubb 12V 光敏电阻为RP 当光照度为30lx时输出电压为6V 80lx时为9V 设该光敏电阻在30到100lx之间的 值不变 光敏电阻 试求 输出电压为8V时的照度为多少lx 解 首先看稳压二极管是否工作在稳压状态 稳压二极管工作在稳压区 再求流过恒流偏置的光敏电阻的电流Ip Ip Ie Uw Ube Re 1 mA 计算在不同照度下光敏电阻的阻值光照度为30lx时 R1 Ubb Uo1 Ip 6 k 光照度为80lx时 R2 Ubb Uo2 Ip 3 k 光照度为E3时 R3 Ubb Uo3 Ip 4 k 由于 且 光敏电阻在30到100lx之间的 值不变 lgE3 lg3 lg4 0 7 lg80 1 7246E3 53 lx 4 在如图所示的恒压偏置电路中 已知DW为2CW12型稳压二极管 其稳定电压值为6V 设Rb 1k RC 510 三极管的电流放大倍率不小于80 电源电压Ubb 12V 当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V 照度为450lx时输出电压为8V 试计算 输出电压为9V时的照度 设光敏电阻在100 500lx间的 值不变 为多少lx 照度到500lx时的输出电压为多少 解分析电路可知 流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件 三极管的基极被稳定在6V 设光照度为150lx时的输出电流为I1 与光敏电阻的阻值R1 则 同样 照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为 R2 680 由于光敏电阻在500到100lx间的 值不变 因此该光敏电阻的 值应为 当输出电压为9V时 设流过光敏电阻的电流为I3 阻值为R3 则 R3 900 代入 值的计算公式便可以计算出输出电压为9V时的入射照度E3 E3 196 lx 由 值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为R4 214 I4 24 7 mA 而此时的输出电压UO为UO Ubb I4R4 6 7 V 即 在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6 7V 光电子发射探测器 5 设入射到PMT上的最大光通量为 v 12 10 6lm左右 阳极电阻Ra 82k 当采用GDB 235型倍增管为光电探测器 已知它的倍增级数为8级 阴极为SbCs材料 倍增极也为SbCs材料 SK 40 A lm 若要求入射光通量在6 10 6lm时的输出电压幅度不低于0 2V 试设计该PMT的变换电路 若供电电压的稳定度只能做到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 解 1 首先计算供电电源的电压根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性 阳极电流应不小于Iamin 因此 Iamin UO Ra 0 2V 82k 2 439 A入射光通量为0 6 10 6lm时的阴极电流为IK SK v 40 10 6 0 6 10 6 24 10 6 A此时 PMT的增益G应为 由于 N 8 因此 每一级的增益 4 227 另外 SbCs倍增极材料的增益 与极间电压UDD有 可以计算出 4 227时的极间电压UDD 总电源电压Ubb为 Ubb N 1 5 UDD 741V 设流过电阻链的电流为IRi 流过阳极电阻Ra的最大电流为Iam GSK vm 1 02 105 40 10 6 12 10 6 48 96 A取IRi 10Iam 则IRi 500 A因此 电阻链的阻值Ri UDD IRi 156k 取Ri 120k R1 1 5Ri 180k 2 计算偏置电路电阻链的阻值 3 输出信号电压的稳定度最高为 6 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0 5 A 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2 A以内 求 1 阴极面上允许的最大光通量 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CsSb倍增极 其倍增系数 计算它的供电电压 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 解 1 阴极面上允许的最大光通量 2 最大的输出电压 3 供电电压 CsSb倍增极材料的增益 与极间电压UDD有 N 12 每一级的增益 4 642 总电源电压Ucc为 Ucc N 1 5 UDD 1201 5V 4 输出信号电压的稳定度最高为 光生伏特器件7 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3 42所示 当入射光通量为正弦调制量 v 55 40sin tlm时 今要得到5V的输出电压 试设计该光电三极管的变换电路 并画出输入输出的波形图 分析输入与输出信号间的相位关系 解 首先根据题目的要求 找到入射光通量的最大值与最小值 max 55 40 95lm min 55 40 15lm在特性曲线中画出光通量的变化波形 补充必要的特性曲线 再根据题目对输出信号电压的要求 确定光电三极管集电极电压的变化范围 本题要求输出5V 指的是有效值 集电极电压变化范围应为双峰值 即Uce 2U 14V根据偏置电路可知 入射为最大时输出电压应最小 但不能进入饱和区 为此 在特性曲线的 拐点 右侧找一点 A 并做垂线交横轴于 C 点 从 C 向右量14V 找 D 点 由 D 做垂线交入射为最小的特性曲线与 B 通过 A B 做直线 此线即为负载线 由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb 显然 C 点电压为3 7V D 点电压为17 7V 电源电压Ubb近似为19V 取标称电压20V 电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线 8 在7 6图所示的光电变换电路中 Ubb 12V 已知3DU2的电流灵敏度SI 0 15mA lx RL 51k 三极管9014的电流放大倍率 120 1 若要求该光电变换电路在照度变化为200lx的范围时 输出电压变化不小于2V RC为1K 电阻RB应