光电信息技术 第一章答案 有部分错误.doc

光电技术习 题第一章第一部分:1 已知表示光电导体的灵敏度的G（光电增益）= / tL ，式中为量子产额；为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，请推导：G = (nn +pp )U/l2 式中n和p分别为自由电子和空穴的寿命；n和p分别为自由电子和空穴的迁移率。答： G=/tL tL=l/E=l2/U G=U/l2 G = (nn +pp )U/l22 简答P型与N型半导体杂质能级区别.答：N型半导体掺有5价的杂质原子，如磷、砷。杂质引进的额外的电子占有恰在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特。这些额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。P型半导体掺有3价的杂质原子，如硼、铝。杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。3 比较直线性光电导与抛物线性光电导的主要特性。答：在直线性光电导的弛豫中，光电流都按指数规律上升和下降。在t=时，光电流上升到饱和值的（1-）,或下降到饱和值的，上升和下降是对称的。显然，直线性光电导的弛豫时间与光强无关。 在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象比较复杂。它取决于复杂的复合机理，并且上升和下降都不对称，我们可以用()1/2来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值tanh 1=0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。显然，抛物线性光电导的弛豫时间与光强有关。光强越高，弛豫时间越短。4 举一简例说明研究光电导的光谱分布有何实际应用。答：（1）做特定的光谱特性的传感器（2）起节省滤光片的作用5 简述光生伏特效应与热释电效应的原因及其应用。答：光生伏特效应：由光照引起电动势的现象。包括两种类型: (1)发生在均匀半导体材料内部；(2)发生在半导体的界面。pn结的空间电荷区的电场，称为自建电场。光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下的运动，是形成光生伏特效应的原因。光生伏特效应的应用: (1)太阳能电池；(2)光电探测器件。 热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释电效应。热释电效应的应用：红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱反接收器等。6 观察图1.1.3-4，指出本征光电导与杂质光电导的长波限位置。答：金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是P型半导体，从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是P型，长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从P型转变为N型，从曲线中可看到长波限相应于0.2eV。这与用其他方法测出的金锗中形成多重能级的电离能是一致的。7. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。l0SRc第1题图 答： Ie=, d= ，d e=Ie*8. 如图所示，设小面源的面积为DAs，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为qs；被照面的面积为DAc，到面源DAs的距离为l0。若qc为辐射在被照面DAc的入射角，试计算小面源在DAc上产生的辐射照度。（选做题, 参见讲稿1.2.1 光的有关概念与度量）LeDAsDAcl0qsqc第2题图用定义和求解。*9. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长lm随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出 （选做题, 参见讲稿1.2.1 光的有关概念与度量）。这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3mK。第二部分： 1.正透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度 厚 ；负透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度 薄 。 2 单片正透镜 是一个最简单的放大镜。 3工作在物镜面附近的透镜称为 场镜 4探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，使像面浸没在折射率较高的介质中。它的主要作用是 显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比 。 5阶梯透镜是有“阶梯”形不连续表面的透镜；“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，故又称环带透镜。优点： 厚度小 ，重量轻，光吸收损失小。 6设球面曲率半径为R，则球面镜的焦距为 R/2 ，这一数值与光的波长无关，也就是说球面镜不产生 色差 。7光锥为一种非成像的聚光元件，可增加光照度或 减小探测面积 的作用。8光楔常用作 光学测微器补偿器 ，利用光楔的移动或转动来测量或补偿微小的角量或线量。9干涉滤光片主要功能是 分割光谱带 ,常见的有:截止滤光片和带通滤光片 。10光调制指的是使光信号的一个或几个 特征参量 按 被传送信息 的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。11分别简答下列三个图调制方法（光强度调制） 答：（1）利用电磁感应的机械调制 ：将永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯另一端上固定挡片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。（2）调制盘：在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。旋转时，通过盘的光脉冲周期性地变化。光脉冲的形状:决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。（3）受抑全反射调制器：入射光在固定棱镜斜面处满足全反射条件。在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解为两束相互垂直的调制光。12光波在传播时被超声波衍射的现象叫做 声光 效应。13利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为 I=I0cos2 ，式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；为两偏振器主平面间的夹角。14克尔效应:指的是某些各向同性的介质在电场作用下变成各向异性，光束通过将会产生_双折射_现象。15.实验表明,克尔效应的两束偏振光的折射率之差ne-n0与 电场强度E 成正比 ，而泡克耳效应的两束偏振光的折射率之差ne-n0 与所加 所加电场E 成正比。16何为磁光效应？目前在磁光效应方面，主要是哪两种效应来获得光偏振调制？“法拉第”旋光效应偏振光在磁场内偏振面旋转的角度表达式如何？ 答：磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。主要利用“法拉第”旋光效应和科登-穆顿效应来获得光偏振调制。 “法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。 在磁场内偏振面的旋转角度 =VBL 交变磁场 B=B0sint 调制光强 I=I0cos(-BVLsint) 17光的频率调制，主要是指光学_多普勒_频移18波长调制有哪几种（至少举三种）？下图为利用热色物质颜色变化的波长调制来检测液体温度的示意图，说明其检测原理。答：（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制 检测原理：白光进入热变色溶液，其反射光经650nm 和800nm 的滤光片，由探测器接收。上图所示的热变色溶液,温度为20o C 时，在500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；升到75o C 时，在650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为650 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800 nm 时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。（2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制（3）利用黑体辐射进行波长调制（4）利用滤光器参数的变化进行波长调制19. 放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成 Au=Au(j)= Au(j)ej() . 式中f是频率，是角频率，Au(j)表示放大器的放大量与频率的关系，称为 幅-频特性 ，()表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系,称为 相-频特性 ，它们合称为放大器的频率特性,也称为频率响应。 21.利用理想运算放大器的近似条件写出下列各图的u0的值u i+uoRR2CuIRuOARRfC图a图b 答：图a：u0= - (u1+u2+ un)图b：u0= - RC图c：图d：u01=(1+ )U1 + U2=U1-(U2-U1) u02=(1+) U2 - U1= U2+( U2 U1) U0=（U01-U02）=(1+)(U2+U1)21 .上题的图b中，当输入为方波时，输出为尖脉冲波；图C中，当输入为方波时，输出为三角波，当输入为正弦波时，输出为余弦波；图d中，当输入为方波时，输出为方波，当输入为正弦波时，输出为正弦波 。22 指出下面两图各何种滤波器，分别写出其传递函数及幅频特性表达式 RR1RFC+-+RR1RFC+-+ 答：图一：一阶有源滤波器图二：一阶有源高通滤波器传递函数： 频幅特性：传递函数：频幅特性： RR1RFC+-+CR 23. 写出下图的传递函数答： AF=1+RF/R1 24下图所示为开关电容滤波器,画出其等效电路并写出其传递函数 答： 等效电路：25下图为迟滞比较器电路，请写出其迟滞宽度 (上门限电压UIH 和下门限电压UIL 之差) U表达式. 答：UREF 为参考电压；输出电压 uO 为 +UZ 或 -UZ；uI 为输入电压。 当 u+ = u- 时，输出电压的状态发生跳变。 若uO = +UZ，当uI逐渐增大时，使uO由+UZ跳变为-UZ所需的门限电平UT+若uO= -UZ ，当uI逐渐减小时，使uO由-UZ跳变为+UZ所