南京理工大学-光电检测技术总结

1、习题01一、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38 Pm ）到（0.78 Pm ）范围内的电磁辐射称为光辐射。2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是（光度学量）。3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质 之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。4、光量 Q： 4dt ， lm * s。5、光通量4 :光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值，单位：流明lm。6、发光强度I：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度，d4 /仙，单位：坎德拉cd （lm

2、/ sr）。7、光出射度M：光源表面单位面积向半球面空间内发出的光通量，称为光源在该点的光出射度，d4 /dA，单位：lm / m 2O8、光照度E：被照明物体单位面积上的入射光通量，d4 /dA，单位：勒克斯况。9、光亮度L：光源表面一点的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度，dI /（dA * cos0），单位：cd / m2。10、对于理想的散射面，有Ee= Me。二、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的 光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察

3、者”的光谱光视效率V（入），或称视见函数。2、辐射通量七：是辐射能的时间变化率，单位为瓦（1W=1J/s），是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。3、辐射强度匕：从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W/sr（瓦 每球面度）。4、辐射出射度Me :辐射体在单位面积内所辐射的通量，单位为W /m2。5、辐射照度Ee :单位面积内所接收到的辐射通量，单位为W /m2。6、辐射亮度Le :由辐射表面给定方向发射的辐射强度，除于该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。单位为 W /（m2 * sr）。7、光谱响应度：探测器在波长为入的单色光照射下，输出电压或

4、电流与入射的单色光功率之比。8、朗伯定律：发光体在各方向上的辐射亮度一致，有匕=匕COS0。9、光学多普勒效应：运动物体能改变入射于其上的光波频率。10、黑体：是一个理想的余弦辐射体，其亮度与方向无关。11、积分响应度：光电探测器输出的电流或电压与入射总通量之比。12、光的发生一般有两种方式，温度辐射和发光。三、简答题1、辐射照度和辐射出射度的区别是什么？答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射通量，而后者则为描述 扩展辐射源向外发射的辐射通量。2、何为余弦辐射体？余弦辐射体的主要特征是什么？答：假设辐射亮度L不随方向而发生变化，且匕x cos。，有1=

5、 Io COS0，满足该条件的光源为余弦辐射体。其辐射出射度M 在数值上是亮度Le的n倍。3、什么是光电阴极材料的负电子亲和势，为什么具有负电子亲和势的光电阴极材料有较高的量子效率且光谱范围能 向红外区扩展？电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）与导带 能级E c之差。负电子亲和势：真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负。因为光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出；表面热垒低，使表面逸出几率大。因 为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面，因而使得光谱范围向红外区扩展。四、计算及证明题证明点光源的辐射

6、照度与距离平方成反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？设点光源的辐射强度为I.在理想情况下，点光源的总辐射通量为中=4兀I又半径为R的球面上的辐射照度为E =些=L E =些=卫 =2_dA 4 兀 R 2dA 4 兀 R 2 R 2设第一个探测器到点光源的距离为L1，第二个探测器到点光源的距离为L2 L = 10L 又E = E = = 又由于E = E = 100E12R 21 L 2（10 L）2100 L 22 L 2211222习题02一、填空题1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。2、价电子的运动状态发生变化，使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子

7、提供能量的外力作用）、（电子跃入 的那个能级必须是空的）。3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能 态可能被电子占据的概率）。4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的 吸收主要是（本征吸收）。5、光电探测器的主要作用是光信号转换成电信号。c - h 1.24 （）6、 本征吸收的条件：光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，hv Eg人 = e = e Wm人gg7、光电检测的核心为光电传感器。8、可用作干涉光源的有He-Ne激光和钠光。9、作为一个完整的检测系统应包括信息

8、的获得、变换、处理和显示几个部分，因此，光电检测系统由光电检测器件、 输入电路、前置放大器等三部分组成。10、检测以光信息的变换为基础，它有两种基本工作原理，将光信号转换成电信号，将电信号转换成所需检测物体 的信息参数。11、良好的光电发射材料，光吸收系数要大，有一定的电导率，溢出深度要小，材料的溢出功要小。二、概念题1、禁带、导带、价带：禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带：价带以上能量最低的允许带。价带：与价电子能级相对应的能带称为价带。价带不一定是满带。2、热平衡状态：在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态

9、，此时载流子浓度为某一稳定值。3、强光注入、弱光注入：强光注入：光生载流子浓度远大于热激发电子浓度n.，光生空穴浓度询远大于热激发空穴浓度P.。弱光注入：光生载流子浓度An远小于热激发电子浓度n.，光生空穴浓度吨远小于热激发空穴浓度P.。4、非平衡载流子寿命T：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。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

10、率。2、为什么空穴的迁移率比电子的迁移率小？答：迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移 率比电子的迁移率小。四、计算题1、本征半导体材料Ge在297K下其禁带宽度Eg=0.67（eV），现将其掺入杂质Hg，锗掺入汞后其成为电离能E.=0.09（eV） 的非本征半导体。试计算本征半导体Ge和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。解：01入02亍（顷）=i1.24 （顷）=1.851 （顷） 0.67（日m ）= 13 .778 Jm ） 0.09 2、某种光电材料的逸出功为1eV，试计算该材料的红限波长。（普朗克常数h=6.62

11、6X10-34（j.s），光速C = 2.998X 108（m/s），电子电量 e=1.6X 10-19 库仑）解：人 = = 地 =1.24（口m ）= 1.24（口m ）= 1.24 （口m ）0 v 991习题03一、概念题1、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。2、光电发射第一定律：也称斯托列托夫定律。当入射光的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被 阴极所吸收的光通量9K成正比。3、光电发射第二定律：也称爱因斯坦定律。发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性增大，而与入射光

12、 的光强无关。4、光电效应分为内光电效应和光电发射效应。5、内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应为光敏电阻；光生伏特效应为光电二极管、光电三极管 和光电池。6、光电导效应：探测微弱信号，光谱响应范围宽。7、光生伏特效应：暗电流小，噪声低，响应速度快，光电特性呈线性，受温度影响小。8、光电发射效应为光电倍增管（PMT）。9、用光电法测量某高速转轴（15000r/min）的转速时，最好选用PMT。10、若要检测脉宽为10 -7s的光脉冲，应选用PIN型光电二极管、光敏电阻。11、光敏电阻的光电导灵敏度和时间特性与温度和照度有关。12、光生伏特效应的主要特点：1光照在不均匀半导体或半导

13、体和金属结合的接触面时，会在接触面的两侧产生电位 差；2只有本征吸收所激发的光生载流子才能引起光伏效应，而非本征吸收所激发的不可以。13、丹培效应：由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象。14、光磁电效应：当半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运动会受到洛伦兹力的作用，使 它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体 上、下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。15、光子牵引效应：当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光 线的传播方向做相对于晶格的运动。在开路的情况下

14、，半导体将产生电场，它阻止载流子的运动。二、简答题1、外光电效应和内光电效应的区别是什么？答：外光电效应是物质受到光照后向外发射电子的现象，而内光电效应是物质在受到光照后产生的光电子只在物质 内部运动而不会逸出物质外部。2、光电导效应：分为本征光电导效应与杂质光电导效应。本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入 导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变 化。3、雪崩二极管的工作原理。雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获 得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在

15、强电场的作用下进行高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空 穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子-空穴对在电场作用下获得足够的动能，又使晶 格原子电离产生电子-空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流 子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。4、为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应？因为结型光电器件在反偏置或零偏置电压下工作时，增加了耗尽层的宽度和结电场。在耗尽层中产生的电子-空穴对 因其复合比较小，故在结区强电场作用下，不必经过复合的扩散过程而对电流做贡献，提高了光电器件的灵敏度， 也增大了光电效应。

16、5、PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？答：相对于P区及N区来说，I层为高阻层，在工作情况下，它承受了极大部分的外加电压，使得耗尽层增大，展 宽了光电转换的有效区域，提高了灵敏度；I层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择低阻的基体材料，不但提高了击穿电压，而且还 减少了串联电阻和时间常数；I层的存在，使得扩散区不会到达基体，从而减少了载流子通过扩散区的时间，提高了频率响应；反偏的情况下，耗尽层较无I层时要大很多，故结电容下降，提高频率响应。6、比较2CU型光电二极管和2DU型光电二极管的结构特点，说明引入环级的意义。答：2CU型光电二极管以N型硅为衬底，在上面通过扩散

17、或注入方式生产P型层，形成PN结；而2DU型则以P型 硅为衬底，在上面通过扩散或注入方式生产N型层，形成PN结；二者均在光敏面上涂以二氧化硅为保护膜。另外， 2DU型光电二极管引入了环级来减少暗电流和噪声。7、光伏效应：光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。8、光电导效应：半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。9、什么是光电导？光电导探测器的内增益与哪些物理量有关？答：半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时为亮电导。给半导体材料外加电压，通 过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之

18、差称为光电导。亮电流与暗电流之差称为光电流。光电导器件U主要指光敏电阻，增益G = P J2，0为量子产额，T为载流子寿命，P为迁移率，u为外加电压，l为光敏电阻l 2两极间的距离。一旦光敏电阻给定，光电导探测器的内增益与外加电压成正比。10、硅PIN和硅APD （雪崩二极管）的特点（工作原理，性能和使用）有何异同？答：PIN管是光电二极管的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本证 半导体。这样，PN结的内电场就基本上全部集中于I层中，从而使PN结耗尽层加宽，结电容变小。PIN管最大的特点是频带宽，量子效率高，线性输出范围宽，输出电流小。雪崩二极管是利用PN

19、结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的。其工作电压很高，约100200V，接近于反向击 穿电压。很高的内增益，可达到几百，响应速度特别快。噪声大是其的一个主要缺点。从使用上看，PIN的反向电压为一般地电压，雪崩二极管则需要很高电压，约100200V，接近反向击穿区。共同点：都工作在反向偏压下，且都能承受较高偏压；频带都很宽；硅PIN可达10GHz，而硅APD可达100GHz； 量子效率都比一般光电二极管要高。区别：工作原理不同，PIN管对光电流没有放大作用，而且因为I层电阻很大而使输出电流小，一般要与运算放大 器集成使用；APD管具有光电流放大作用，同时噪声很大。11、弱辐射探测情况下，光电导

20、灵敏度有何特点，把光敏电阻制成蛇形状有何作用。光敏电阻在微弱辐射作用下的光电导灵敏度S与光敏电阻两电极间的距离l的平方成反比;在强辐射作用下的光电导 灵敏度S与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比。为了提高光敏电阻的光电导灵敏度S，要尽可能地缩短 光敏电阻两电极间距离1。三、概念题光生伏特器件的偏置电路自偏置电路反向偏置电路行检测。光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，当负载电阻 Rl为最佳负载电阻时，具有最大的输出功率。但自偏置 电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很 差，所以在测量时很少采用自偏置电路。反向偏置：大范围的线性光电变换输出电压U广气、=【LI静态工作点都为Q

21、点，当负载电阻Rl1 Rl2时，1的输出电压的动态范围比2大，1的输出电流的动态范围比2小。负载电阻为0，输出的短路电流/与入射辐射量成线性变化，只适合对微弱辐射信号进习题04一、概念题1、光电探测器的响应度（或灵敏度）：光电探测器的输出电压匕或输出电流o与入射光功率P之比。2、热噪声：载流子无规则的热运动造成的噪声，又称为约翰逊噪声。3、信噪比：在负载电阻Rl上产生的信号功率与噪声功率之比。4、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。5、光电探测器中主要的固有噪声有热噪声，产生-复合噪声，低频噪声，散粒噪声，温度噪声。6、等效噪声功率：即最小可探测功率Pmin,当

22、信号功率和噪声功率之比为1时，入射到探测器件上的辐射通量。7、探测率：为等效噪声功率的倒数。二、简答题热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？答：热电检测器件特点：响应波长无选择性，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。响应慢，吸 收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。光电检测器件特点：响应波长有选择性，存在某一截止波长入o,超过此波长，器件没有响应。响应快，一般在 纳秒到几百微秒。习题05一、概念题1、PMT：探测微弱信号，响应速率快，灵敏度高，惰性小，频率特性好，供电电压高，采用玻璃外壳，抗震性差。2、PMT的注意点：玻璃外壳，注意防震；使用时不可用强光照射，当光照过强时，

23、光电特性的线性变差，光电阴极 疲劳而损坏器件；工作电流不宜过大；测量交变光时，负载电阻不宜过大；不能在氦气中使用。3、PSD (光电位置敏感器件)：暗电流小，噪声低，响应速度快，光电特性呈线性，受温度影响小。4、具有光电倍增的器件有光电倍增管和雪崩二极管。二、简答题1、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

24、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。2、光电倍增管的供电电路注意哪些问题？答：(1)倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，常采用电阻链分压法供电。流过电阻链 的电流ir至少要比阳极最大的平均电流Iam大10倍以上。供电电源的电压稳定性要求较高。为了不使阳极脉冲电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。3、说明光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度的区别和关系，以及短

25、波限和长波限由什么因素决定。答：阴极灵敏度Sk为光电倍增管阴极电流匕与入射光谱辐通量8之比，阳极灵敏度Sa为光电倍增管阳极电流Ia与入射光谱辐通量8之比，Sa = Sk G ,G为电流放大倍数。短波限和长波限主要由光电阴极材料和窗口材料决定。4、为什么光电阴极都是P型半导体材料制作的？答：P型半导体的受主能级比较靠近价带，故价带中的电子很容易吸收光子能量而进入导带，使价带产生空穴参与导 电，而光电阴极作为光电发射材料，其吸收光照后能够发出电子，使得阳极材料能够收集得到。5、微通道板的工作原理。微通道板由若干个极细的空心管道组成。管道是由高阻材料制成的，内壁为二次电子发射系数8 1的材料，在它的

26、 两端加上直流高压后，在每个管道内形成极强的电场。这时，当光电面发射的电子进入管道后，在强电场的作用下 经过管壁的多次碰撞，而得到电子倍增。三、计算题现有GDB-423光电倍增管的阴极有效面积为2cm2，阴极灵敏度为25口 A/lm，倍增系统的放大倍数105，阳极额定 电流为20口 A，求允许的最大照度。解：i = 20 目 AM = 10 5/. i = a = 2 x 10 - 4 目 Ak M1ik = kA - E0 .04m2 =0.04 lxi _ 2 x 10.4 J A )A - S 2 x 10 - 4 m 2 )x 25 (四 A Im )=习题06一、画图解释题用PN结简

27、图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。习题07一、填空题1、热释电探测器是将辐射能转换为（热）能，然后再把它转换为（电）能的器件。2、热释电探测器工作的物理机理是热电效应，探测的是温度的变化。二、简答题1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？答：热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所 以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几 乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。2、热电探测器与普通温度计有何区别？答：相同点：二者都有随温度变化的性能。不同点：温度计要与外界

28、有尽量好的热接触，必须达到热平衡。热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用，同时 又要尽量少的与外界发生热接触。3、简述辐射热电偶的使用注意事项。答：由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动。额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。 应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安，因而千万不能用万用表来 检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，损坏热电偶。保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。工作时环境温度不宜超过60C。习题08一、概念题1、电极化：电

29、介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但是它也是由带电粒子一一电子和原子核组成的。在外 电场的作用下，带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些变化。例如，加上电压后，正电荷平 均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极。虽然其移动距离很小，但电介质的一个表面带正电，另一表面带负电。 称这种现象为电极化。2、居里温度：铁电体的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消失， 这个温度称为居里温度（或居里点）。二、简答题1、为什么由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？ 答：半导体材料制成的热敏电阻吸收辐射后，材料

30、中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子 能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子 浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且 其绝对值比半导体的小。2、简述热释电探测器的工作原理。答：当红外辐射照射到热释电器件时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷 通过放大器转换成电压输出。如果辐射继续照射，使热释电器件的温度升高到新的平衡值，表面电荷达到新的平衡， 不再释放电荷

31、，也不再有电压信号输出。因此，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有交变辐射的作 用才会有信号输出。3、热辐射探测通常分为哪两个阶段?哪个阶段能够产生热电效应？答：第一阶段是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升，将辐射能转化为热能，这是所有热电探测器必 经的阶段，是共性。第二阶段是根据温升来确定具体探测器器件输出信号的性能，将热能转化为电能，这是个性，因具体器件而异。 第二阶段能产生热电效应。4、热释电器件为什么不能工作在直流状态？工作频率等于何值时热释电器件的电压灵敏度达到最大？答：当红外辐射照射到热释电器件时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电

32、荷 通过放大器转换成电压输出。如果辐射继续照射，使热释电器件的温度升高到新的平衡值，表面电荷达到新的平衡， 不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有交变辐射的作 用才会有信号输出。电压灵敏度SV是们的函数，对其求导便是最大SV时的们值。三、计算题1、可见光的波长、频率和光子的能量范围（给出计算公式）各是多少？答：可见光的波长：0.38微米0.78微米Xv U =频率：3.85 X 1014 HZ7.89X 1014 HZ 利用公式 】光子能量：2.55X 1019J5.23X10一19 J【利用公式E = hv】2、一块半导体样品，有光照时电阻为

33、50Q，无光照时为5000Q，求样品的光电导。答：有光照时的电导为：G = 50 = 0.02S无光照时的电导为：G2 = 5000 = 0.0002S故：该样品的光电导为G = G - g2 = 0.0198 S习题09一、填空题1、发光二极管的发光亮度，基本上是正比于（电流密度）。2、氦氖激光器以（直流）电源驱动。从结构上分（全内腔）（全外腔）（半内腔）激光器。3、发光二极管是（注入式电致发光器件）器件，它能将（电）能转变为（光）能。4、LED:发光效率高，发光亮度高，时间响应速度快，单色性好，体积小LED适合于直流，也适合于脉冲下使用。5、卤钨灯：发出的是连续光谱，用于普通紫外-可见发光

34、的光度计。6、氘灯：用于分光计。7、超高压短弧灯：电弧亮度很高但在阴阳极距离上分布不均匀，发光波长峰值在红外区。8、超高压汞灯：紫外辐射较少，红外辐射较强。而可见光区域发光不均匀，辐射亮度高，用于荧光分析。二、简答题1、半导体发光二极管的发光原理，其外量子效率与哪些因素有关？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，N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

35、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Eg，即 入1.24 N m eV- Eg其外量子效率与内量子效率，半导体材料折射率，吸收系数，封装材料的折射率和形状有关。2、应用发光二极管时注意哪些要点？答：开启电压：发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类似。只是正向开启电压一般都比普通 的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。温度特性：利用发光二极管和硅的受光器件进行组合使用时，应注意到二者的温度特性是相反的。温度升高时， 发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。所以使用时，应把二者 放到一起考虑，注意其组合

36、后的整体温度特性。方向特性：发光二极管一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应注意到这一结构上的特点。发 光管与受光管二者对得不准时，效果会变得很差。3、激光的产生有哪些条件？答：需要泵浦源，把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去。介质必须能发生粒子数反转,使受激辐射足以克服损耗。必须要有一个谐振腔提供正反馈及增益，以维持受激辐射的持续振动。4、简述注入式半导体激光器的发光过程，其特点，其对工作电源的要求？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，

37、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。 特点：（1）要维持激光器的振荡注入电流须大于阀值电流；（2）频率分布取决于组成激光器的半导体材料。对电源的要求:因为阀值电流都比较高，通常用脉冲电流来激励，

38、以降低热损耗。5、激光器和发光二极管的时间响应如何？使用时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？答：发光二极管：发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。采用脉冲驱动的情况下，获得很高的 亮度，但应考虑到脉冲宽度、占空度比与响应时间的关系。半导体激光器：响应时间很短。半导体激光器的阈值电流都比较高，由于激光器工作时需要的电流很大，电流通过 结和串联电阻时，将使结的温度上升，这又导致阈值电流上升。所以阈值电流很高的激光器，通常用脉冲电流来激 励，以降低平均热损耗。6、为什么LD光的相干性好于LED？答：从发光机理解释，LED是自发辐射，LD是受激辐射。LED的单色性仅次于LD，好于其他光源

39、，习题10一、填空题1、光电耦合器是由（发光）器件与（光敏）器件组成的（电）一（光）一（电）器件。这种器件在信息传输过程 中是用（光）作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的。2、电荷耦合器件以电荷作为信号，其基本功能是电荷的存储和转移。二、简答题1、简述光电耦合器件的电流传输比6与晶体管的电流放大倍数6的区别？答：晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即6大；光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子与光激发出的空穴相复合而成为光复合电流，可用a If表示，a 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大于七。即

40、光电耦合器件在不加复合放大三极管时，6小于1。2、简述光电耦合器件的特点。答：具有电隔离的作用。它的输入、输出信号完全没有电路联系，所以输入和输出回路的电平零电位可以任意选择。绝缘电阻高达1010Q1012Q，击穿电压高达10025KV，耦合电容小到零点几皮法。信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。具有抗干扰和噪声的能力。它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干 扰、电源干扰和杂光影响。响应速度快。一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流和10MHz之间。使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，

41、抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作 温度范围在一55C+ 100C之间。三、分析题光电耦合器件测试电路如图所示，分析它的工作原理。S1开关接通后：S2开关没有接通，正常情况下LED是不发光的。如果它是发光的，则说明光电耦合器的接收端巳经短路。S2开关接通，正常情况下LED发光，它的发光强度可以用电位器RP来调节。如果LED没有发光，则说明光电 耦合器是坏的。习题11一、填空题1、光电成像器件包括（扫描成像器件）（非扫描成像器件）。2、扫描型光电成像器件又称（摄像器件）。光电摄象器件应具有三种基本功能（光电变换）（光电信号存储）（扫 描输出）。3、分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细

42、节的能力。分辨率常用两种方式来描述（极限）分辨率和（调制传递） 函数。4、观察灵敏阈：在极限观察的情况下，光电阴极面的极限照度。5、暗背景亮度：在无光照时，光电阴极产生的暗电流在阳极电场的作用下，轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮 度为暗背景亮度。6、电导型摄像管的基本结构包括两部分：光电靶和电子枪。一是光电靶由光窗、信号极和靶构成，靶面的光敏层可 以进行光电转换，而且有利于保持光电转换形成的电荷图像，并在扫描周期内实现积分存储。二是电子枪由灯丝、 热阴极、加速电极和聚焦电极等组成，能够产生电子并使它聚焦成很细的电子射线，并按照一定的轨迹扫描靶面， 从而通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信

43、号输出。二、概念题1、摄像管：把可见光或不可见光图像通过电子束扫描后转换成相应的电信号，通过显示器再成像的器件。2、摄像管的工作原理：先将输入的光学图像转换成电学图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过 电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出。3、象管：使不可见光图像或微弱光图像通过电子光学透镜变为可见光图像的器件。4、象管的工作原理：有三个基本部分，一是光电变换部分，即光电阴极，它可以使不可见光图像或亮度很低的光学 图像变成光电子发射图像；二是电子光学部分，即电子透镜，有电聚焦和磁聚焦两种形式，它可以使光电阴极发射 出来的光电子图像，在保持相对分布不变的情况下进行加速；三是电

44、光变换部分，即荧光屏，它可以使打到它上面 的电子图像变成可见光。习题12一、概念题1、电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。在一定的时钟脉冲驱动下，设 电荷包的原电量为Q(0)，在时间t时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷某种原 因留在该电极下，若被留下来的电荷为Q(t)，Q(0)- Q (t)转移效率：则定义为到达下一个势阱的电量与原势阱的电量之比，即门=“(J 转移损失率：则定义为残留于原势阱中的电量与原电量之比，即n=羔;2、CCD有两种基本类型，表面沟道CCD和体沟道CCD。二、简答题1、为什么CCD必须在动态下工作？其驱动

45、脉冲的上、下限频率受哪些条件限制，应如何估算?答：CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真。时钟频率过高，电荷包来不及完全转移， 势阱形状就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，使用时，对时种频率的上、下 限要有一个大致的估计。为了避免由于热激发少数载流子对注入电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t 必须小于少数载流子的平均寿命T 。当时钟频率过高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t应大于电荷从一个电极转移到另一个电

46、极的固有时间T ，才能保证电荷的完全转移，否则，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，转移效率大大下降。_T _ 1对于三相CCD，t =33 J2、说明CCD器件的工作原理。当光照在CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被 收集在势阱中形成信号电荷，信号电荷的多少与受光照强度成正比。CCD电极通常被分为几组，并施加同样的时钟 脉冲，这样各极上的电压周期定向变化，所储存的信号电荷也定向地移动，在输出部分便可得到与入射光强相应的 电信号，这就是帧CCD的工作原理。在下一帧光信号输入之前，利用MOS复位管使各相电荷清零，准备下一帧光 信号的输入。3、为

47、什么三相线阵CCD必须在三相交叠脉冲的作用下才能进行定向转移？答：二相线阵CCD电极结构设计不对称，可以保证电荷转移的定向性。三相阵列CCD，只有在三相交叠脉冲作用下， 才能确保电荷不回流。4、CCD和CMOS的主要区别？答：CMOS图像传感器与CCD图像传感器的主要区别为：制作工艺不同，CCD的制作工艺较为复杂，而CMOS 得制作工艺简单得多；信号的传输方式不同，CCD是靠电荷的转移传输的，而CMOS是靠模拟开关将信号传输出 来的；CCD图像传感器得外加驱动器提供驱动脉冲才能获得图像信号，必须靠片外采集卡完成数字化，而CMOS 图像传感器芯片本身不但能够输出图像信号，还能够完成数字化，用起来

48、较为简单；CCD图像信号必须按一定的 规则输出，而CMOS可以根据需要输出部分位置或面积的图像信号。三、分析题分析CCD电流输出放大器输出的工作原理。J时恒答：V为复位管，R为限流电阻，V为输出管，R为负载电阻，C为等效电容。电荷包输出前，要先给V的栅极加 112L1一窄的复位脉冲，这时，V导通，C被充电到电源电压，V管的源极S的电压也跟随上升接近于电源电压。（PR122R变为低电平以后，V截止，但V在栅极电压的控制下仍为导通状态。当电荷包经过输出栅OG流过来时，C被放电， V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。习题13 一、填空题1、是变像管还是像增

49、强管取决于（阴极材料）。如果对（红外或紫外）光线敏感，则它就是变像管；如果它只对（微 弱的可见）光敏感，则它就是像增强管。2、变像管和像增强管都具有图像增强的作用，实现图像增强一般有两种方法：增强（电子图像密度）和增强（电子 的动能）。3、增强电子图像密度，一般利用（二次电子发射）来实现；增强电子动能，用增强（增强电场或磁场的）的方法。二、简答题1、变像管？像增强管？像管和摄像管的区别？答：变象管是指能够把不可见光图象变为可见光图象的真空光电管。图象增强管是指能够把亮度很低的光学图象变 为有足够亮度图象的真空光电管。2、简述像管的工作原理。答：目标物所发出的某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电

50、阴极上形成目标的像，引起光电发射。阴极面每一 点发射的电子数密度正比于该点的辐射照度。这样，光阴极将光学图像转变为电子数密度图像。加有正高压的阳极形成很强的静电场，合理的安排阳极的位置和形状，让它对电子密度图像起到电子透镜的作用， 使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。它还使光电阴极发射出来的光电子图象，在保持相对分布不变的情况下 进行加速。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，这样，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。习题141、巳知硅光电二极管2DU2的灵敏度S.=0.55p A/p W，结间漏置电导G=0.02口 S，转折点电压U0=13V，入射光功 率从min=15p W变到ma

51、x=35p W，供电偏电压为Ub=55V。求：取得最大线性输出电压下最佳负载RL输出电压 U。（3）输出电流 I。解：(1)G U = GU + S .G = GU0 + 号希 max = G + 斗 max = 0.02 + 竺 35 1.5 峪0 UU 013又G U =&- U G=0 = 1.5 X13 0.464RSU - U J 55 -13 b 0=1 2.16MQGL Gl 虹-Umax)=GU严 min、U=G U - S .力G + G7 35.7V.U7= U l - U0 = 2珈 l(3)AZ = I -1 . = Gl AU = 0.464 x 22.7 10.5r

52、A2、巳知硅光电池2CR32的受光面积为5X10mm2，在室温30C,人射光照度为1000W/m2的条件下，UOC=0.55V,ISC=12X 10-3A。求能在200700 W/m2照度范围内，求：取得最大线性输出电压下最佳负载rl输出电压 U。输出电流 I。解： E = 1000叫板 2 时 I、。= 12 x 10-3 AUC = 0.55VS = Ze = 12 x 10-6 A - m 2；W 1E，E = 700Wm 2时的 U：c = U 。+ U In 百=0.54V从经验公式可知R = 丝拜=丝定=0.7 X 0.54 = 45。mIpSEmx 12 x 10-6 x 700

53、(2)AU = RmAIp = RmS(E- E . )= 45x 12x 10-6 x500 = 0.27V (3)AI = ” = 27 = 0.006 a = 6mARm 453、光敏电阻R与R乙=20kQ的负载电阻串联后接于Ub=12V的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为U1 = 20mV, 有光照时负载上的输出电压为U2 = 2V，求光敏电阻的暗电阻和亮电阻值若光敏电阻的光电导灵敏度Sg = 6X10 -6S/lx，求光敏电阻所受的照度。解：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值的计算RU = L UL R + R b:.R = 土 R - RU L LL暗态时 U = 12VR = 20K

54、。U = 20mVU:.R =R R =11980/。= 11.98M。暗 U L LL亮态时 U = 12VR = 20KQU = 2VU n n :.R =iR - R =100 KQ 亮 U L LL光敏电阻所受的照度. R 暗=11980KQ. G .= 0.08 |LiS暗R 亮=100 KQG/R- =10 pS亮G 光 = G亮- G =9.92 pSG又S = 光 = 6 x 10-6 S lxG9.92 x 10 - 6 SE = 光=1.65&S6 x 10 - 6 S lx4、巳知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW光电导灵敏度Sg=0.5 X 10-6Sx暗电导g0=0,

55、若给其加偏置电压20V,此 时入射到光敏电阻上的极限照度为多少？解：负载电阻为0时，光敏电阻流过的电流为最大。IP maxRP minPmaxUUGP maxIP max1p= 40mWU = 20V40 x10-3,)=2 x 10-3 顷)=2mA2020= 10 x 103 O = 10 KQ2x10-3Emax=10-4 S = 0.1mSRP minGP maxEmaxG10-4，P max = =200lxS0.5 x 10-65、若溶液的吸光度为A1，稀释后得到二个溶液，在相同条件下测量吸光度为气，进一步稀释后得到吸光度为A3,巳知 A - A = KA - A = K 求 T

56、/ T (A = lg I /1, T = I /1 )。121, 232,3100解： lg T = A ,lg T = A ,lg T = A ,112233.=10-A“ T = 10-a3, T / T = 10A1 -A3 = 10K1+K2习题15一、概念题1、对于微弱的光信号的探测，采用的方法是光外差法（相干探测）。2、光外差法的物理机理是光的干涉。3、光电信息变换的六种基本形式：信息载荷于光源，信息载荷于透明体，信息载荷于反射体，信息载荷于遮挡物，信息载荷于光学量化器，光通信方式。4、降低白炽灯电压，可以延长寿命，减小光通量。5、光外差法可检测光的相位、频率和振幅。6、采用双光

57、路差动法可消除光源的影响。7、时变光信号的直接测量有直读法，指零法，差动法，比较法。8、激光打印机的六个过程是硒鼓带电，扫描曝光，静电成像，着色转印，热压定影，清洗硒鼓。9、简单光学目标的位置检测大致可分为几何中心，亮度中心两种方法。10、吸收法浓度检测的原理是比尔定律A = 】g勺J，它适用于气体，液体，透明固体，不适用于胶体。11、调制：使光载波信号的一个或几个特征参数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。12、解调：从巳调制的信号中分离出有用信息的过程。13、萨纳克效应：当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度时，顺时针光路和逆时针光路之间形成与转速成正比 的光程差。14、

58、光电检测中的四种调制器是机电调制器，电光调制器，辐射源调制器，电子调制器。15、反射光强度测量可用于测量：转速，相位，表面粗糙度，距离。16、使用阵列器件对产品表面质量进行检测有反射和投影两种方法。17、非相干光电信号的连续波调制分为：振幅调制，相位调制，频率调制。18、光学变换中的时域变换：调制振幅，频率，相位，脉宽。19、光学变换中的空域变换：光学扫描。20、光学变换中的光学参量调制：光强，波长，相位，偏振。21、光电检测系统按信息光源分：主动系统，被动系统。22、光电检测系统按光源波长分：红外系统，可见光系统。23、光电检测系统按接收系统分：点探测，面探测。24、光电检测系统按调制和信号

59、处理分：模拟系统，数字系统。25、光电检测系统按光波对信号的携带方式分：直接检测，光外差检测。26、单频光干涉的条纹检测：干涉条纹光强检测，干涉条纹比较法，干涉条纹跟踪法。二、简答题1、与非相干探测相比，光外差探测法具有哪些优点，为什么能测微弱信号？答：探测能力强；探测灵敏度高；信噪比高；有空间滤波能力；有光谱滤波能力；检测的稳定性和可 靠性高。光外差探测法的输出信号大小取决于入射信号光和本振光功率的乘积，本振光功率对外差信号有决定作用。提高本 振光功率可以得到较强的外差信号。因此能测微弱信号。2、相关检测：利用相关原理，通过自相关和互相关运算，达到对某些物理量进行检测或去除噪声。3、直接检测

60、（非相干检测）：利用光源发射的光强携带信息，直接把接受到的光强变换为电信号的变化。4、光外差检测（相干检测）：将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件 下在光电探测器上进行光学混频，探测器输出频率为二光波光频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频 率和相位特征。5、缓慢变化的光信号的检测方法。答：幅值法，分为单通道（直读法和指零法），双通道（差动法和比较法），差动法是重点。6、光电扫描技术：用一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道，按一定的时间顺序和轨迹串行逐点扫视目标物象 空间的各点时，能获得瞬时值与被测目标的光学参数成比例的时序电信号。习题161、简