光电检测技术考点整理

1、光电检测技术考点整理一、填空题（35分）1. 能带形成原因电子共有化。2.本征吸收在长波方向存在一个界限，称为长波限。也称红线： 半导体的禁带宽度愈窄，长波限愈长。 掺杂半导体的长波限大于本征半导体的长波限。 本征吸收发生条件：光子能量必须大于等于材料禁带宽度：3. 载流子包括自由电子和自由空穴。4. N型：由施主（易释放电子的原子）能级激发到导带中去的电子来导电的半导 体称为N型半导体。 自由电子的浓度自由空穴浓度；施主能级Ed靠近导带Ec；施主电离能Ed，电子更容易跃迁到导带。 P型：由受主（容易获取电子）控制材料导电性的半导体。自由空穴的浓度自由电子浓度；受主能级Ea靠近价带Ev；受主电

2、离能Ea，电子更容易跃迁到受主能级。5.载流子复合过程一般有直接复合和间接复合两种。 掺杂半导体一间接复合为主。 同一类材料掺杂半导体吸收光的长波限比本征半导体吸收光的长波限长。6. 单色辐出度：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度时绝对 黑体的单色辐出度。 ，含义：物体光谱发射率总等于其光谱吸收比， 也就是强吸收体必然是强发射体。7. 黑体中温度位移关系（维恩位移定律）：，B不变。 得：当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值向短波方向移动。 绝对黑体的光谱吸收比是物体的光谱发射率；称：？8. 光电二极管：加反偏电压 工作物质 激光器 谐振腔 电学光泵 泵浦原 化学光泵 热学

3、光泵 光学光泵 发光二极管：加正偏电压 激光器（优）与发光二极管（缺）比较优点：高亮度、单色性好（相干性）、方 向性强。 液晶：被动型发光。9. 半导体结型光器件按结的种类不同，分为：PN结型、PIN结型和肖特基结型 等。 频率特性：结型光电器件当光照变化很快时，光电流滞后光照变化； 硅光电池负载大时频率特性变差。 硅光电二极管：光生载流子，少数载流子漂移运动为主的光电流。 硅光电池：零偏置下工作（可不加外电压）； 当IL=0，RL=（开路），（IP是光电流，是反 向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。）； RL=0（短路），（是光电池的光电灵敏度；E是入 射光照度）。短路电流线性好。

4、10. 光电导器件中（光敏电阻）一般采用N型半导体制作（电子迁移率比空穴大）； 当光照的增加的时候电导率增加，光电流增加，电阻率下降。 光敏电阻的噪声分为：产生-复合噪声、热噪声、噪声。11.光敏电阻的光电流与L的平方成反比，L越小，光敏性越大；12.真空光电器件包括光电管和光电倍增管两类。 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，又称为光电阴极。 光电阴极（入射、出射方向）分为：透射型（半透明光电阴极）和反射型（不 透明光电阴极）。13. PSD（光电位置传感器）PIN做的； PSD分为一维PSD和二维PSD。 二维PSD按其电极位置分为：两面分离型PSD、表面分离型PSD和改进表 面分离

5、型PSD。14.变像管把各种不可见辐射图像转换成可见光图像的真空光电成像器件。 摄像管利用外光电效应进行光电转换的摄像管，光电发射型摄像管。由 光导靶和电子束扫描区构成。 视像管利用内光电效应进行光电转换的摄像管，光电导型摄像管。包括 光电阴极、移像区、存储靶和电子束扫描区。15. 固体成像器件有两大类：电荷耦合器件（CCD）； 自扫描光电二极管列阵（SSPD),又称MOS图像传 感器。 CCD组成：信号输入部分、电荷转移部分、信号输出部分； CCD信号是：电荷； CCD信号转移区形式： 线阵CCD：单排传输结构、双排传输结构 面阵CCD：帧转移型（FT）、行间转移型（ILT） （内线转移）

6、SSPD工作在电荷存储方式（自扫描）。16. 红外探测器能将红外辐射能转换为电能的光电器件。 红外探测器分为：热探测器、光子探测器。17. 光电倍增管接地形式： 阴极接地、 阳极接地（用得更多）保护器件。18. 光纤损耗分为：吸收损耗、散射损耗； 阶跃型光纤传光原理全反射； 材料色散 光纤色散 波导色散 模式色散（单模无） 模式色散材料色散波导色散； 光纤分类（模式数量） 单模光纤 多模光纤 衡量聚光能力参数数值孔径（NA）：只与光纤材料折射率有关，与光纤 半径无关； 光强调制型 功能型 相位调制型 偏振态调制型 光纤传感器 波长调制型 传输光调制型 非功能型 反射光强调制型 频率调制型 光纤

7、液体折射率传感器2、 简答题（5分*7）1. LED（发光二极管）工作发光原理。 答：受主、施主材料掺到GaAs中分别形成P型、N型半导体，结合后形成PN 结；无偏压时，PN结有内建电场，内电场阻碍电子从N到P区，孔穴从P 到N区；有外电场时，克服内电场作用，电子从N进入P区，空穴从P 进入N区；在耗尽层，电子自发地与空穴复合而产生光子，光子向各方向 运动，形成结型发光。2. NPN光电三极管工作原理。 答：(1)工作时，集电极反偏置，发射极正偏置，Vc>Vb>Ve； (2)c-b结区有强内建电场cb，光照c时，光激发产生的光生载流子中的 电子流向c，空穴流向b，相当于向b注入控制

8、电流Ib=Ip； (3)b-e结是正向偏置，有电流放大作用，则集电极电流 Ic=Ib=Ip=ESE (4)集电结完成光电转换，再经基极、发射极放大。故可视为光电二极管+ 普通晶体管。3.PSD（光电位置传感器）的工作原理。 答：当光照射到PSD的光敏面上时，在入射位置表面下就产生与光强成比例 的电荷，此电荷通过P层向电极流动形成光电流。由于P层的电阻是均 匀的，电阻与长度成正比，所以两电极输出的电流分别与光点到两电极的 距离成反比。根据两极电流可算出光点位置。4. CCD耦合过程。 答：P147脉冲信号不断地改变电极上的电压，而驱动信号使电荷可控地一位一位地顺序传输，这就是电荷耦合。P1475

9、. SSPD的工作过程。 答：（1）给移位寄存器加时钟和起始脉冲（引导扫描开始），就产生依次延迟 一拍的采样扫描信号； （2）多路开关依序闭合（读出）、断开（积分），从而把各位PD上的信号 从视频线上输出； （3）各单元输出的电信号随不同位置照度的变化而变化，这样就把一副光 照随位置变化的光学图像转换为一列幅值随话时间变化的视频输出 信号。6.光电倍增管工作原理。 答： 光子透过入射窗口入射在光电阴极K上； 光电阴极K受光照激发，表面发射光电子； 光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，将发 射出比入射电子数更多的二次电子。入射电子经N级倍增后，光电子 数就放大N次； 经过倍增

10、后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负 载RL上产生信号电压0。7. 红外热探测器的原理和特性。 答：红外热探测器是用探测元件吸收红外辐射能量而引起温度升高，据此再借 助各种物理效应把温度升高转变成电量的一种探测器。 光电转换过程：一、热探测器吸收红外辐射引起温度升高，这一步对各种 热探测器都一样； 二、是利用热探测器某些温度效应把温度升高转变成电量 的变化。 特性： 响应频率与波长无关，属于无条件选择性探测器； 受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢； 热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低； 可在室温下工作。8.激光器工作过程、原理。 答：激光器的工作过程先是泵浦

11、源自发辐射，将工作物质中的粒子从低能态激 发到高能态，再使工作物质产生受激辐射，这些辐射在谐振腔的两个平面 之间来回传播形成振荡，多次反射使其辐射能量放大，最后通过部分透 射的平面镜输出到腔外，产生激光。9.硅光电池工作过程。 答：光电池是一个PN结，在不加偏置是可将光能转换成电。当有光照时，入 射光激发产生的电子-空穴对在内电场作用下形成光生电流，光生电流流 过负载电阻产生电压降，相当于给PN节施加正向偏置电压，从而产生正 向电流，两者之差即为硅光电池产生总电流。10. 光电管光放大过程。 答：真空光电管的工作过程：光线从光窗照射到光电阴极 上，光电阴极产生光电子，光电子在电场的作用下被 加

12、速，并被阳极收集，形成光电流。 充气光电管(充入低压惰性气体)的工作过程：光线从 光窗照射到光电阴极上，光电阴极产生光电子在加速向 阳极运动中与气体原子碰撞而使其发生电离，电离产生 的新电子数倍于原光电子再被阳极收集形成光电流。11.雪崩倍增效应含义及雪崩二极管保护环作用。 答：雪崩倍增效应：光电管加高反偏时，结区产生强电场；光生载流子受强电 场加速获得高能量，与原子碰撞使原子电离；新的电子- 空穴对向电极运动获得高能量，再次碰撞原子，产生新电 子-空穴对；不断重复，使PN结内电流急剧增加。这称 为雪崩倍增效应。 保护环的作用：增加高阻区宽度； 减小表面漏电流； 避免边缘过早击穿。12. 光电

13、导器件的光谱响应的的特性。 答： 本征光电导材料的理想光谱响应曲线图a所示，但是实际光电导材料对各 种波长辐射的吸收系数不同，在材料不同深度上获得的光功率也不同。在较长 波长上，吸收系数很小，一部分辐射会击穿过材料，量子效率较低。随着波长 减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全部被材料吸收，光电导率达到峰值。 当波长再减小时，吸收系数进一步增加，靠近材料表面附近光生载流子比较密 集，致使复合增加，光生载流子寿命减低，量子效率也随之下降，向短波长方 向的光谱响应显著下降。一般情况下峰值靠近长波限，实际定义长波限为峰值 一半处所对应的波长。实际情况如图b所示。13. 面阵CCD转移工作过程（帧转移型

14、）。答: 帧转移型结构包括光敏区、暂存区、水平读出寄存器和读出电路四个部分。 当积分结束时，光敏元和暂存区以同一速度快速驱动，将光敏区的一场信 息转移到暂存区，然后光敏区重新开始另一场积分。与此同时，暂存区的光信号逐行向读出寄存器转移。工作时，读出寄存器的传输速率为垂直列电荷耦合沟道CCD传输速率的y倍（y为垂直CCD的个数），每当读出寄存器驱动y次，表示一行信息读完，进入行消隐。在行消隐期间，暂存区的垂直CCD向下传输一次，即向读出寄存器转移一行信息电荷。至此，读出寄存器又开始新的一行信号读出，如此往复下去。14. 硅靶的光电转换过程。答：硅靶的光电转换过程： 信号板通过引线、负载电阻与靶电

15、源的正极相连。电子枪的热阴极接地，扫描电子束即具有地的电位。当电子束扫描到每个P型岛时，P型岛的PN结即被反偏置，结电容被充电到靶电源电压。 无光照时，由于PN结有反向漏电流（暗电流），在负载电阻上要产生少量的电压降，靶的两边成像面（信号板一边的靶面）和扫描面（朝着电子枪一边的靶面）之间的电压，略低于靶电源电压。 有光照时，光进入到每个PN结区将产生电子空穴对，它们被结内电场分离后，光电子通过信号板等外电路入地，光生空穴被积累于P型岛上。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀的升高；如果光照不均匀，是一幅光学图像，则扫描面上各P型岛的电势分布将正比于入射光学图像的亮度分布，亮度高的点，所对应

16、的P型岛的电势也高。当电子束再次扫描各个二极管时，其电位被拉平到阴极电位，产生的光电流流过负载电阻就形成与光学图像对应的视频信号。扫描过程： 从电子腔发射出来的电子束依次沿着靶面扫描，为了提高灵敏度，每个像素在扫描周期内不间断地对转换后的电量进行积累；当电子束依次沿着顺序地转变成视频信号输出，就完成了扫描输出的功能。三、计算题（10分*2）1.光纤传导模式数计算：VM；、（取整）； 单模传输条件：2. 二相驱动CCD，像元素N=1024，若要求最后位任有80%的电荷输出，求电荷转移损失率为多少？解：转移数：二相：N*2/3，总转移率：转移效率， 1个像素点转移损失率=1-。 | | a3.空间

17、分辨率： b 单位长度上的线速（空间频率？）：1mm/1个像素点长度， 最小辐照度Ee，面积=a*b=S，最小响应度：R=100V/mw， Nnoise（暗电流）。 最小照度值 Ee*S*R=Nnoise 最小照度E。4.一支He-Ne激光器（波长为632.8nm）发出激光功率为2mW。该激光束的平面 发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。（P27）求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85， 求该屏上的光亮度。 解：（1）光通量： C 最大光视效能，683lm/W； e辐通量； V 视函数（查表）。 （2）发光强度：， （3）光亮度： （4）光