《光电子技术》狄红卫版

盖了材料〔型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微构造等、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从根底到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与根底，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互穿插而形成的高技术学科。光子学信息载体光子技术探测的科学技术。现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境光波红外线X〔频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm〕的电子学。光电子技术在经过80年月与其相关技术相互穿插渗透之后，90年月，其技术和应域，这对全球的信息高速大路的建设以及国家经济和科技持续进展起着举足轻重的推动作用。国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400~760nm频率：385T~790THz 400T~750THz能量：1.6~3.2eV辐射度量与光度量的根本区分是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能消灭光度量？及用光电敏感器件进展光谱辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区分在于：前者是物理〔或客观〕〔或主观〕0.38~0.78um的可见光谱区域辐射，所以量子流速率的计算公式中不能消灭光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内放射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒放射的光子数，称为光谱量子流速率。1.5m30lx，求出该灯的光通量。Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx一支氦-氖激光器〔波长为632.8nm〕发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角1mrad,1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。假设激光束投射在10m0.85，求该屏上的光亮度。 () Kv

V ()() () 6830.26521030.362lm()vI dvv d

() v S

2Rh

2(1 cos )R2 R2I

() 0.362v 1.15 10 5cdv 2(1 cos ) 2(1 cos 0.001 )vvv dI I Ivvv

1.46 1011cd /m2v dS cos S cos r2cos 0 d

() 0.3 62v 4.6 10 5lm /m2v dS 0.0005 2l 10 m r 0.0005 md”

(P6)

r2M ” 0.85 E”v

0.85

dS

cosv

0.85

Lv l20.85 L r2d 2”

dM ”

v l2L”

v v 155 cd /m2v ddS

”cos d 21.6T的上升而减小。试用普朗克热辐射公式导出T常数m式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为2. - 。普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。教材P8什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？光辐射的调制是用数字或模拟信号转变光波波形的幅度、频率或相位的过程。光辐射的调制方法有内调制和外调制。内调制：直接调制技术具有简洁、经济、简洁实现等优点。但存在波长(频率)的抖动。LD、LED外调制：调制系统比较简洁、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中KDP晶体上加调制电压U=Um，U量的表达式。Pockels效应：折射率的转变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。Ps的大小打算于什么？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光作用区较长，光线与超声波波面有确定角度斜入射时发生的。XXX2.4说明利用法拉第电磁旋光效应进展磁光强度调制的原理。磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。的现象。电路磁场方向在YIG棒轴向，把握高频线圈电流，转变轴向信号磁场强度，就可把握光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区分？光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用室温下工作。光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应。〔如光电放射效应〔如光电导效应和光伏效应。率的增大，这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器当半导体PN结受光照耀时，光子在结区〔耗尽区〕激发电子-空穴对。在自建场的作N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷积存，使P区、N区两端产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。光电池、光电二极管、双光电二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二极管质外表，这种现象称为光电放射效应，又称外光电效应。光电倍增管，真空光电管、充气光电管。光电器件的光电特性〔光照特性〕有哪两种状况？每种特性的器件各自的用途是什么？当光电器件上的电压确定时光电流与入射于光电器件上的光通量的关系I=F(Ф) 称为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系I=F(L)称为光照特性。什么是光电器件的光谱特性？了解它有何重要性？选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近的灵敏度〔响应率〕——光谱灵敏度和积分灵敏度。为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必需工作在哪种偏置状态?由于p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必需在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是p-n加。假设光电PN结在照度L1下开路电压为U，求照度L2下的开路电压U。负电子亲和势光电阴极的能带构造如何？它有哪些特点？外表区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。特点：1.量子效率高2.3热电子放射小4.光电放射小，光电子能量集中何谓“白噪声”？何谓“

1噪声”？要降低电阻的热噪声应实行什么措施？f功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声。功率谱与f1/f噪声。措施：1.尽量选择通带宽度小的2.尽量选择电阻值小的电阻3.降低电阻四周环境的温度探测器的D*=1011cm·Hz1/2·W-10.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？应怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？热电晶体的自发极化矢量随温度变化热释电效应。由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。3.13505000光电导。G=G-G=1/50-1/5000=0.0198〔s〕该样品的光电导即为所求。3.143.253.26dL引起输出电压U0变化，分别写出这两种电路dU0的表达式。表达光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。为什么光电池的输出与所接的负载有关系？工作原理光电池是一个简洁得PN结。当光线照耀PNPN过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在PN结四周会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使N区聚拢大量的电子而带上负电，在PP区和N用导线或电阻把N区和PIPN〔6〕光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系，在照度光电池的短路电流与照度成线性关系〔4分〕当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必定使外加电场增大，由于外电场的方向是与内电场方向相反，故要减弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN〔5〕2CR和2D2CU和2DU2DU什么？画出正确接法的线路图，使用时环极不接是否可用？为什么？2CR2DR2CR为N型单晶硅，2DR为P型单晶硅。2CU2DU2DU光电二极管增设环极的目的是为了削减暗电流和噪声。说明PINPIN管的频率特性为什么比一般光电二极管好？工作原理：PIN管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区开放，耗尽层宽度根本上是I区的宽度，光照到I层，激发光生电子空穴时，在内建电场和反向电场作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，形成光生电流，通过负载，在外电路形成电流。特点：频带宽，线性输出范围宽。优点：1，工作电压比较低，一般为5V。2，探测灵敏度比较高；3，内量子效率较高；4，响应速度快；5，牢靠性高；6，PIN管能低噪声工作。PN动，在运动过程中，又可能与原子碰撞，再一次产生的电子空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。特性：灵敏度高，响应速度快；PIN光电二极管因由较厚的ip-n结的内电场就根本上全集中于ip-n从而提高了p-n光电二极管的频率响应。由于PIN管耗尽层变宽，这就相当于增大了结电容之间的距离，使结电容变小，而且耗尽层的厚度随反向电压的增加而加宽，因而结电容随着外加反向偏压的增大而变得更小。I层的电阻率很高，故能承受很高的电压，I层电场很强，对少数载流子漂移运于结电容变小，载流子渡越耗尽层的时间短，因此PIN管的特性好。〔5+3sin t〕μW，偏置电压Ub=40V，信号由放大器接收，求取得最大功率时的负载电阻Rb和放大器的输入电阻R的值，以及输入给放大器的电流、电压和功率值。3.972CU=〔20+50sinwt〕μW的光信号，其工作偏压Ub=30V，拐点电压Um=10V，且Rb=RL。2CU的参数是：光电灵敏度S=0.6μA/μW，结电容Cj=3pF，分布电容C0=3pF。试计算：1.3DU12Cj=8pFCi=5pF，输入电阻r=10k计算变换电路中频时的输出电压U0上限频率f设计光控继电器开关电路。条件：光电晶体管3DU15S=1μA/lxK的10mA1.5kΩ200lx时继电器J吸合。试述PSD的工作原理，与象限探测器相比，PSD有什么优点？PSD是利用离子注入技术制成的一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，分为一维和二维两种。当入射光是非均匀的或是一个光斑时，其输出与光的能量中心有关。与象限探测器相比，PSD的优点有：对光斑的外形无严格要求；光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可进展连续测量，位置区分率高，可同时检测位置和光强。光电放射和二次电子放射有哪些不同？简述光电倍增管的工作原理。光电放射是光轰击材料使电子逸出，二次电子放射是电子轰击材料，使的电子逸出。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RL上产生信号电压光电倍增管中的倍增极有哪几种构造？每一种的主要特点是什么？鼠笼式：构造紧凑，体积小；但灵敏度的均匀性稍差。积存电荷而影响电子光学系统的稳定性。盒栅式：电子的收集效率较高，均匀性和稳定性较好；但极间电子渡越时间零散较大。百叶窗式：工作面积大，与大面积光电阴极协作可制成探测弱光的倍增管;但极间电压高，有时电子可能越级穿过，从而，收集率较低，渡越时间离散较大。近贴栅网式：极好的均匀性和脉冲线性，抗磁场影响力气强。微通道板式：尺寸大为缩小，电子渡越时间很短，响应速度极快，抗磁场干扰力气强，线性好。(a)11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写出各局部名称及标出Ik，IpIb的方向。Sk20μA/lmo.1lx，阴极有效面积为2cm2各倍增极放射系数均相等σ=4，光电子的收集率为0.90.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳极电流。设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV,求放大器的有关参数，并画出原理图〔b〕阴极电流：I=S〔b〕阴极电流：I=SΦ=2010-60.1210-4k k=410-10AIp倍增系统的放大倍数:M= =εIk

(σε)110=0.98(40.95)112.34106阳极电流：IMI=936μAp k〔c〕VRV o fV ” Ro LR RV ” f Vo R L

(I )R fp L RL

I Rp fR f

200mv936

214某光电倍增管的阳极光电灵敏度为10A/lm，为什么还要限制其阳极输出电流小于50~100μA由于阳极电流过大会加速光电倍增管的疲乏与老化。GDB10A/lm，Sk=20μA/lm111，问各倍增极的平均倍增系数为多少？GDB-4232cm²，Sk25μA/lm，倍增系统的放大倍数为10~5，阳极额定电流为20μA，求允许的最大光照。PbO磁场共同作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位分布最终，通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号，摄像器件的参量——极限区分率、调制传递函数和惰性是如何定义的？区分率表示能够区分图像中明暗细节的力气。极限区分率和调制传递函数〔MTF〕极限区分率：人眼能区分的最细条数。用在图像〔光栅范围内所能区分的等宽度黑白线条数表示。也用线对/mmMTF：能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递力气。电容电荷释放惰性。以双列两相外表沟道CCD为例，简述CCD电荷产生、存储、转移、输出的根本原理。CCD的根本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)CCD的根本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)MOS电容器能够存储电荷。假设电容器能够存储电荷。假设MOS构造中的半导体是P型硅，当在金属电极〔称为栅〕上加一个正的阶梯电压时〔衬底接地Si-SiO2

界面处的电势〔称为外表势或界面势〕发生相应变化，四周变化，四周的P型硅中多数载流子——空穴被排斥，形成所谓耗尽层，假设栅电压V 超过GMOSSi-SiO2低，我们可以形象化地说：半导体外表形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当外表存在势阱时，假设有信号电子〔电荷〕来到势阱及其邻近，它们便可以聚拢在外表。随着电子来到势阱中，外表势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子渐渐填充势阱MOSSi-SiO2低，我们可以形象化地说：半导体外表形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当外表存在势阱时，假设有信号电子〔电荷〕来到势阱及其邻近，它们便可以聚拢在外表。随着电子来到势阱中，外表势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子渐渐填充势阱“深浅”载流子。因此，电荷耦合器件必需工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。以典型的三相CCD为例说明CCDCCD是由每三个栅为一组的间隔严密的MOS构造组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦t时刻，φ高电位，φ、φ低电位。此112 3φ时 电极下的外表势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷〔电子〕注入，则电荷就被φ1φ电极下的势阱中。t时刻，φ、φ为高电位，φφ、φ下的两个势121 231 2φ1φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2t3时刻，φ2仍为高电位，φφφφφφ下的剩余电荷连续3111φ下的势阱中转移。t时刻，φ为高电位，φ、φ为低电位，φ下面的势阱最深，信号2421 32φt时刻的状况相像，但电荷包向右移动了一个电极21的位置。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期〔也称一位。因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位存放器。φφφ1φ23φ1tttt1234φ2tttt1φ3234电荷输出构造有多种形式，如“电流输出”构造、“浮置集中输出”构造及“浮置栅输出”结构。其中“浮置集中输出”电荷输出构造有多种形式，如“电流输出”构造、“浮置集中输出”构造及“浮置栅输出”结构。其中“浮置集中输出”OG、浮置集中区FD、复RRDT等。所谓“浮置集中”PV族杂质集中形成小块的n+区域，当集中区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。电荷包的输出过程如下：VOGOGφ与3FDφ为高电位期间，电荷包存储在φ电极下面。随后复位栅R加33φFDRD区沟通，因VR为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的RDRDFDRD区呈夹断状态，FD区具有确定的浮置电位。之后，φ转变为低电位，φOGFDFD33区〔即A点〕的电位变化量为：QFDAC式中，QFD是信号电荷包的大小，CFD区有关的总电容〔包括输出管T的输入电容、分布电容等。φ3φttttt123 4 5Rφ3t1φRt2t3t4t5CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平根底上的负电压；每个电荷包的输出占有确定的时间长度TCCDCCD双列两相CCD驱动脉冲φ1、φ2、SH、RS起什么作用？它们之间的位相关系如何？为什么？1、2：驱动脉冲12，将模拟存放器中的信号电荷定向转移到输出端形成序列脉冲输出。SH：转移栅把握光生电荷向CCDA或CCDB转移。RS：复位脉冲，使复位场效应管导通，将剩余信号电荷卸放掉，以保证的信号电荷接收。TCD1200D的中心距为14μm，它能区分的最小间距是多少？它的极限区分率怎样计算？14μm。简述变像管和图像增加器的根本工作原理，指出变像管和图像增加器的主要区分。亮度很低的可见光图像或者人眼不行见的光学图像经光电阴极转换成电子图像；电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增加；荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。紫外变像管和X射线变像管等，功能是完成图像的电磁波谱转换。像增加器：承受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增加器、带微通道板的像增加器、负电子亲和势光阴极的像增加器等，功能是完成图像的亮度增加。光盘记录有什么优点？存储密度高。非接触式读/写信息〔独特。存储寿命长。信息的信噪比高。信息位价格低。⑴存储密度高⑵数据传输速率高⑶存储寿命长⑷信息位价低⑸更换简洁光盘进展经受了哪几代？每一代的特点是什么？自美国ECDIBM公式共同研制出第一片光盘以来，光盘经受了四代：⑴只读存储光盘〔readonlymemory，ROM〕这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。这种光盘制造工艺简洁，本钱低，价格廉价，其普及率和市场占有率最高。⑵一次写入屡次读出光盘〔writeoncereadmany，WORM〕这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不行擦除。⑶可擦重写光盘〔rewrite,RW〕掉，然后再写入的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。⑷直接重写光盘〔overwrite，OW〕这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这类光盘可用同一束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入信息。说明ROM光盘的存储原理。将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘〔又称母盘，maste，再经喷镀、电镀等工序制成副盘〔,stampe2”注塑形成ROM光盘。说明激光热致相变RW光盘的读、写、擦原理。用下，在介质内部发生的相应相变过程。⑴信息的记录 对应介质从晶态C向玻璃态G的转变选用功率密度高脉宽为几T十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点m而进入液相，再经过液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。⑵信息的读出 用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小区分写入的信息。一般介质处在玻璃态〔即写入态〕时反射率小，处在晶态〔即擦除态〕时反射率大。在读出过程中，介质的相构造保持不变。⑶信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽T脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近m处，再通过成核－生长完成晶化。在此过加，从而导致激光热晶化壁单纯热晶化的速率要高。简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。如图9-14，目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土－读、写、擦原理。⑴信息的写入GdCoH度的磁场o对介质进展初始磁化，使各磁畴单元具有一样的磁化方向。在写入信息时，磁仍将保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。⑵信息的读出 信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向用线偏振光一个角度k，如以下图。反之，假设光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左 旋一个k，以－k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与－k对应的偏振方向相垂射的