光电技术简答题复习资料

1、“光电技术简答题”复习资料一、答复以下问题：7、什么是朗伯辐射体？在任意放射方向上辐射亮度不变的外表，即对任何 角 Le 为恒定值抱负辐射外表。朗伯辐射外表在某方向上的辐射强度与该方向和外表法线之间夹角的余弦成正比。I I 0 cos10、写出光源的根本特性参数。辐射效率和发光效率光谱功率分布空间光强分布光源的色温光源的颜色11、光电探测器常用的光源有哪些？热辐射光源：太阳；白炽灯，卤钨灯；黑体辐射器模拟黑体，动物活体。气体放电光源：汞灯，钠灯，氙灯，荧光灯等。固体发光光源：场致发光灯，发光二极管等。激光器：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器等。12、画动身光二极管的构造图并说明

2、其工作原理。发光二极管的根本构造是半导体P-N 结。SiO2PN背电极工作原理：n 型半导体中多数载流子是电子，p 型半导体中多数载流子是空穴。P-N 结未加电压时构成肯定势垒。加正向偏压时，内电场减弱，p 区空穴和 n 区电子向对方区域的集中运动相对加强，构成少数载流子的注入， 从而 p-n 结四周产生导带电子和价带空穴的复合，复合中产生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。以光能形式释放的能量就构成了发光二极管的光辐射。图 发光二极管的构造图13、说明发光二极管的根本特性参数有哪些。量子效率：内发光效率：PN 结产生的光子数与通过器件的电子数的比例。外发光效率：放射出来的光子数与

3、通过器件的电子数的比例。发光强度的空间分布：铝电极发光强度与电流关系：电压低于开启电压时，没有电流，也不发光。电压高于开启电压时显示出欧姆导通性。在额定电流范围内，发光强度与通过的电流成正比。光谱特性：放射功率随光波波长或频率的变化关系。响应时间：从注入电流到发光二极管稳定发光或停顿电流到发光二极管熄灭所用的时间。表达了发光二极管的频率特性。寿命：亮度随时间的增加而减小。当亮度减小到初始值的 e-1时所连续的时间。17、简述 PN 结光伏效应分正偏、反偏、零偏三种状况。是一种内光电效应，当光子产生时，能产生一个光生电动势，基于两种材料相接触形成的内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒

4、两面三刀边，从而形成光生电动势。18、简述光电放射效应分金属与半导体两种状况。当光照耀物质时，假设入射光子能量 h 足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子吸取光子的能量而逸出物质外表。第肯定律：当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的辐射量 成正比。其次定律：放射的光子最大动能随入射光子频率的增加而线性的增加，与入射光强度无关。19、什么是负电子亲合势，它的工作原理、主要用途及优缺点。假设给半导体的外表做特别处理，使外表区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特别处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极。特点：1量子效率高光谱响应延长到红外热电子放射小光电子

5、的能量集中20、探测器噪声主要有哪几种？热噪声：载流子在肯定温度下做无规章热运动，载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。复合噪声：载流子产生复合瞬间有起伏。散粒噪声：随机起伏所形成的噪声。41/F 噪声：噪声功率谱与频率与反比。主要由于材料外表态和内部缺陷引起电子散射而产生。温度噪声：由于器件本身吸取和传导的热交换，引起的温度起伏。21、写出电阻热噪声的电压、电流、功率表达式。22、何谓等效噪声带宽？23、何谓等效噪声功率？何谓探测率？何谓归一化等效噪声功率？假设入射到探测器的辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流 Is 等于噪声均方根电流时，所对应的入射辐通量e 称为等效噪声功率 NEP

6、。等效噪声功率 NEP 的倒数为探测率 D。NEP 常与探测器面积 Ad和测量系统带宽 f 的乘积的平方根成正比。为比较探测器性能，需除去 Ad和f 的影响，用归一化参数表示。A fdD D24、何谓“白噪声”？何谓“1噪声”？要降低电阻的热噪声应实行什么措施？f25、说明光电导器件、PN 结光电器件和光电放射器件的禁带宽度和截止波长之间的关系。27、简述光电倍增管的工作原理。光电倍增管工作原理：光子透过入射窗口入射在光电阴极 K 上。光电阴极电子受光子激发，离开外表放射到真空中。光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1 上，倍增极将放射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子

7、经 N 级倍增极倍增后光电子就放大N 次方倍。经过倍增后的二次电子由阳极 P 收集起来，形成阳极光电流，在负载 R 上产生信L号电压。35、说明光敏电阻的几种根本偏置电路。36、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？他们应工作在哪种偏置状态？37、假设硅光电池的负载是 RL，画出它的等效电路图，写出流过负载 RL的电流方程及V、 IOCSC的表达式，说明其含义图中标出电流方向。38、硅光电池的开路电压为VOC，当照度增大到肯定值后，为什么不再随入射照明的增加而增大，只是接近 0.6V？在同一照度下，为什么加负载后输出电压总是小于开路电压？39、硅光电池的开路电压VOC为何随温度上升

8、而下降？40、硅光电池的负载取何值时输出功率最大？如何确定？在什么条件下可将它看做恒压源使用？41、ZDU 型光电二极管设环极的目的是什么？画出正确的线路图。使用时环极不接是否可用？为什么？42、一维光电位置探测器是如何测量光点位置的？写出测量方程。43、说明PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。并说明为什么它们的频率特性比一般光电二极管好？54、说明 CCD 的特性参数电荷转移效率、工作频率、电荷存储容量、噪声。55、CCD 器件为什么必需在动态下工作？其驱动脉冲上下限受到哪些条件的限制？应如何估算？56、简述光电二极管的电荷存储工作原理。它与连续工作方式相比有什么特点？60、什么

9、是热探测器？它与其它光电器件相比具有哪些特性？61、一热探测器的热时间常数为，热容Ctt，热导Gt，求当调制辐射频率f 变化时，探测器温升的相对变化规律。63、热释电效应应如何理解？为什么热释电效应只能探测调制辐射？66、常用的热探测器有哪几种？都是用什么原理工作的？、热敏电阻与测辐射热计；、热电偶与热电堆；、热释电器件；、高莱管。68、哪些光电器件应工作于平衡态？哪些光电器件只能在非平衡态下工作？为什么？70、什么是驰豫过程，光电驰豫过程的长短用什么来描述？驰豫过程对光电器件的什 么特性影响最大？74、写出光照下 PN 结的电流方程。78、简述温差电偶的工作原理。80、为了减小背景光和杂散光

10、的影响，需对进入光电接收系统的光进展滤波。试说明 对入射光进展空间滤波和光谱滤波的根本方法和作用。一、空间滤波的根本方法和作用假设信号光的输入空间角有肯定的大小，如远处的点光源，可以给承受光学系统加遮光罩、减小视场光阑、减小通光孔径的方法，压缩进入光学系统的空间立体角。当信号光源有肯定的空间外形时，我们可以利用透镜的傅立叶变换，在其频谱面上设置空间滤波器，只让信号光源的特定频谱通过，而将其他频谱挡住，就能将背景光几乎全部滤除。给承受光学系统加消杂光光阑，可以最大限度的消退杂光的干扰。二、光谱滤波的根本方法和作用81、为了提高光电接收系统的信噪比，我们学习过哪些方法用来压制噪声？83、说明对光源

11、选择的根本要求。二、计算题：4、一块半导体样品，时间常数为 0.1s ，在弱光照下停顿光照0.2 s 后，光电子浓度衰减为原来的多少倍？解：net(t) n(0)en (t)en (0)e e2 0.13546、设某种光电倍增管一共有10 个倍增极，每个倍增极的二次电子放射系数均为 4 ， 阴极灵敏度 Sk 20 A / lm ，阳极电流不得超过 100 A ，试估算入射于阴极的光通量的上限。A解：阳极电流 I 满足： I S n ，所以入射光通量AvkI A100 4.77 10 6lmvS n k20 4107、上题中，假设阳极噪声电流 4nA，求其噪声等效光通量? f 1HZ解：题中未给

12、出入射光的波长值，我们取波长为 555 nm，则V ( ) 1iNEP=n4 103 2.79 1013LmS nk kV ()m20 410 6838、某光敏电阻的暗电阻为 600k ，在 200lx 光照下亮暗电阻比为 1：100，求该电阻的光电导灵敏度。解：该光敏电阻的亮电阻为 R2 0.01R1 6 103 ，光电导G 1/ R ，所以光电导灵敏RR1 1111 度S26 1036 105 8.33 107 S/LxEE E21200 09、某光电导器件的特性曲线如右图，用该器件把握一继电器。使用 30V 直流电源， 电路在 400lx 的照度下有 10mA 电流即可使继电器吸合。试画

13、出把握电路，计算所需串联的电阻和暗电流。Rt30VRJR1R(k)1001010.10.0111010010310 4E (lx)题 9 图光敏电阻的特性曲线光敏电阻把握继电器电路解：光敏电阻的光电导灵敏度为RR1 111S21EE E21 100011051000 1 1106S/Lx在 400Lx 的光照下，光敏电阻的阻值为 R。1G S0REE 1106 400 4 104 S所以，Rt=2500 欧姆。使用 30V 直流电源，使继电器吸合需 10mA 电流。这时回路电阻应为RL=30/0.010=3000 欧姆比光敏电阻的阻值要大，故需串联一个电阻 R1，R1=RL-Rt=500 欧姆

14、。10、具有上题所示特性的光敏电阻， 所示的电路中。假设光照度为 E400用于右图50sin t lx，求流过 R2号功率。的微变电流有效值和 R 所2获得的信解：设光照度变化频率 和电容量 CR(t)CR (5k)230VR (2.5k)1则电容沟通短路。沟通等效负载为 R1 和足够大，R2 的并联值，R =2k 。由上题， G0=410-4 S ， Gmax=SgEmax=1.010-6450=4.510-4 SU30直流工作点：I0 R R0111 2.5k4.0 104 6.00 103 安。光照度最大时，总电流ImaxU1 R301 2.5k 6.35 103 安Gmax114.5

15、104所以交变电流的峰值电流是 imax=6.35-6.00=0.35(mA)，通过 R2 的峰值电流是：i2 max1RR R12imax2.5k 0.35mA 0.12mA 2.5k 5k负载电阻 R2 所获得的信号功率为：1PRS22i 22 max 0.5 5 103 (0.12 103 )2 3.8 105 W12、某光电二极管的结电容 5pF，要求带宽 10 MH，求允许的最大负载电阻是多少？Z假设输出的信号电流为 10 A ，在只考虑电阻热噪声的状况下，求T 300 K 时信噪电流有效值之比。又电流灵敏度如为 0.6A/W 时，求噪声等效功率。解：由于 f1，所以最大负载电阻：H

16、2 C RjLR1L2CfjH12 5 1012 107 3.18k电阻热噪声i 2 n4kTf R，信噪电流有效值之比：S is 1Ni105 (3.18 103 ) 2 1.6 1031n(4 1.38 1023 300 107 ) 24 1.38 1023 300 1073.18 103NEP in / 0.6 1.04 108 WS13、某热探测器的热导为5 106 W / K ，热容量为3 105 J / K ，吸取系数 0.8，假设照射到光敏元上的调制辐射量为 5 (1 0.6 cos t) ，求其温升随时间的变化关系，并给出上限调制频率。解：上限调制频率 1 GtCtt 5 10

17、 6 0.17 2f 3 10 5，所以：f 0.027 H 。2Z温升随时间的变化关系mT 0 GG (1 2 2 )1 / 2ttte j (t )0.8 5 1050.8 3 1055 106 (1 36 2 ) 12e j (t )5 106 8 2.4 (1 36 2 ) 12 e j (t )14、某光电二极管的光照灵敏度为 SE=3.0 10-6A/LX，拐点电压为 VM=10V，给它加上 50 伏的反向偏置电压，其结电容为 5pF。试求：20 分 假设其能接收 f = 6 MHz 的光电信号，求其允许的最大负载电阻。 如光电二极管耗散功率为 200 毫瓦，求所允许的最大光照度。

18、 如只考虑电阻的热噪声，求在问题条件下输入电路的等效噪声功率及可探测的最小光照度 (S/N=1)。. 如输入信号光照度为 E=50(1+sint)LX，求在最大输出信号电压状况下的负载电阻和电路通频带宽度。解：最大负载电阻：R11 5.31kL2CfjH2 5 1012 6 106负载曲线通过拐点时，光电二极管耗散功率为 P SEVEM所以：Emax200 103 6.67 103 LXPmaxVSME10 3.0 106取 R为最大负载电阻，其热噪声功率为LP 4kTf 4 1.38 1023 300 6 106 1.0 1013 Wr取光谱光视效率为最大值 683，得可探测的最小光照度为：

19、Emin V ( )Pr 683 1.0 1013 6.83 1011 LX在最大输出信号电压状况下，照度达100LX压 Us=U0-UM=40 伏，对应的光电流为时，光电二极管上压降为10 伏，输出电IS=SEE=3.010-6100=3.010-4 安。负载电阻为RL=US/IS=1.33105 欧姆这时的电路通频带宽度是：115Zf H 2C RjL 2.4 10H2 5 1012 1.33 105三、教材上所布置的全部作业题。第一章：2、解： 该激光束的光通量v发光强度I Km vV ()e 683 0.240 2 10 30.328 Lm流明0.3284.2105 (3.28105

20、) Cd(坎德拉)v(1103 ) 2 / 4光亮度L Iv4.2 105 5.35 1011 (或4.2 1011 ) Cd/m2vS(1103 )2 / 4光出射度M v0.328 4.2 105 Lm/m2vS(1103 )2 / 4 10 米远处光斑面积大小：3.14S (L)2 (10 1103 )2 7.85 105 m2 44反射光功率为： P ” P 0.85 2 103 1.7 103 W反射光通量 ” P ” KvV () 1.7 10 3 683 0.240 0.279 Lmm漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度 I 与光通量的关系是 I / ，由于朗伯00体的光亮

21、度与方向无关，所以：I ”0.279L0 v 1.13 103Cd/m2vSS3.14 7.85 1053、解：白炽灯各向同性发光时 SEvv 4R 2 Ev 4 3.14 1.52 30 848Lm4、解：由维恩位移定律， mT 2897m K ，所以第三章2897Tm28970.456 6353K2、解：300K 时，因ni 1.5 1010 / cm3 ， n N ndi 2.25 1016其费米能级pn 2 in2.25 10202.25 1016N 104 个/cm22.25 1016E EfnikTLndni E 1.38 1023 300Lni1.5 1010 E 6.73 10

22、20 (J ) Eii 0.42(eV )其能级图如右。4、解：a300K 时，本征硅的电导率 nqnpqp n q(in )p 1.5 1010 1.6 1019 (1350 480) 4.4 106 (/ cm)b掺杂率 10-8，则掺入的施主浓度为 Nd 5 1022 10 8 5 1014所以， n Nd 5 1014 ， p ni2p (1.5 1010 )25 1014 4.5 105 nqnpqp (5 1014 1350 4.5 104 480) 1.6 1019 0.108(/ cm)6、解：由于归一化探测率 D* A fdNEP，所以A fdNEP D*(0.25)2 5

23、1031011 3.131010W这就是能探测的最小辐射功率。7、解： 1 2fH12 2.0 107 8.0 109S8 、解： 该金属光电放射体的逸出功为 2.5eV， 所以 W E E 2.5eV ， 且0fE E 7.5eV 。0C发生光电效应的长波限：hc6.62 1034 3.00 108mW2.5 1.6 1019 4.97 107 m费米能级相对于导带底的能级差E E E (E 2.5) (E 7.5) 5.0 eVfc00第四章10、解：b阴极电流 IK SES 20 0.1 2 104 4 104 AK倍增系数M ( ) n 0.98 (0.95 4)11 2.34 106

24、0阳极电流IA IM 4 104 2.34 106 9.36 102 AK11、解：光电倍增管的增益与每级电压的kn 次方成正比。其中 k 为 0.708，n 是倍增级数。既： M AV kn，所以dM kn dVMV如要求放大倍数的稳定度大于 1%，则电压的稳定度应优于dV1 dM10.011.04103VknM0.8 1212、解：由于阳极电流 IAI SESM ，所以最大光照度K200EK max 0.4lx第五章maxSSM25 2 104 105K2、解：光敏电阻中的光电流 I (S g )EU ，所消耗的电功率为 P IU ，g0所以极限照度为；EmaxPmax(S gg0)U 2

25、40 103 200lx(0.5 106 0) 2023、解：电路如右图所示。RU UUL R 上的分压为LL R RLtU ，所以RL RtULL无光照时有光照时12 0.020Rt10.020RtURL12 2 2022 1.2 106 R 2022 104 t 22 由于光电导 G G SEpp0g所以光照度G GE p01 ( 11 )题 53 图SSRggt 2CdS12VJ1( 11 Rt1) 16.5 L 6 1061041.2 106X4、 CdS 光敏电阻的暗电阻RD=10 M，在照度为 100 LX 时亮电阻 R=5 K。用此光敏电阻把握继题 54 图电器，其原理如下图。假

26、设继电器的线圈电阻为 4K，继电器的吸合电流为 2 mA，问需要多少照度时才能使继电器吸合？假设需要在 400 LX 时继电器才能吸合，则此电路需作如何改进？解：由题意， R 4kLG GSp0 1 ( 1 1 )gEERRt 2t11 (111005000107) 2 106 s 继电器吸合时的电流为 2mA，由U12R RpL 6 103 I2 103R 2kP11E 2.5 102lxSR2 106 2 103gP由题意，继电器吸合时的电流为 2mA，总电阻应为 6 千欧，而光敏电阻的阻值是11R 1.25kPSE2 106 400g继电器的电阻是 4 千欧，所以还应串接一个 750 欧

27、姆的电阻。也可将电源电压降为 10.5伏。5、解：a恒流偏置， IUb ，U V IR VUb RCR rOCgbeUCR rgbebUbb恒压偏置，Ue V U， Ibbee R rbe( 1) ， IC R rbeU V IR VUb R第六章OCCCCR rC be6、由于微安表满量程电流为 100 微安，故 I2 最大值是 1.4 毫安。这时间电池电压 0.30.3伏，所以 R2 1.4 103 214在微安表支路中，电流为 0.3/10010-6=3103 欧姆，所以 R1为 2022 欧姆。8、现有一块光敏面积为 55mm2 的硅光电池 2CR21，其参数为S 7nA / LX m

28、m 2 ，要求用一个量程为 10V 的电压表作照度指示，测试照度分别为 100LX 和 1000LX 两档，试设计一个带有运放的照度计，画出其原理图，并给出图中元件的参数。解：由题意，运算放大器应设计成电流电压变换器的形式，如下图。由于U IRSCf SEARRf+-+-f所以，在 100 lx 的照度下，U10R 5.7 105 fSEA7 109 100 5 5同理，在 100 lx 的照度下，R 5.7 104 f0.69、解：12CU2 的暗电流题 68 图VI0dRf 4 107A 1.5 1062有光照时， IP S E ，VE1 (IPI)Rf，所以：1V12.4S(1 I ) ( 4 107 ) 1.2 106A/lxEERfd1001.5 10610、由于最大光电流 I暗电流可以无视。P max S max 0.4 400 160A 远大于暗电流 Id 0.2 A ，所以最大辐射功率为 400W 时，拐点电压V 10V ，这时输出电压MU U U U 18 0.7 10 7.3VOCCbeM由于UO I Re ( 1)SR ma