光电器件技术与应用练习题及答案

思考与练习1-11.半导体激光器是用半导体材料作为工作物质产生激光的器件，也称为激光二极管（LD）。光电探测器能将光辐射信号转换为电信号（电压或电流）；光电成像器件能输出图像信息；光电显示器件能将非视觉信息转换为视觉信息，是各种仪器信息系统的终端。2.光电探测器物理效应分为光子效应和光热效应两大类。光子效应分为外光电效应和内光电效应，内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应。具有外光电效应的光电器件有真空二极管和真空光电倍增管等。光敏电阻（光电导器件）是具有光电导效应的光电器件。具有光生伏特效应的光电器件有半导体光电二极管、半导体光电三极管以及光电池等。光热效应分为温差电效应、热释电效应、辐射热效应等。超导远红外探测器具有辐射热效应；热电偶等具有温差热效应；热释电探测器应用了热释电效应。3.光电成像器件按工作方式的不同，它可分为直视型和非直视型成像器件。直视型成像器件有变像管、像增强器等。摄像管属于非直视型成像器件。4.CRT：阴极射线管；LCD：液晶显示器；LED：发光二极管显示器；OLED：有机薄膜电致发光显示器；PDP：等离子体显示器；DMD：数字微镜器件。思考与练习1-21.在光照射下能输出电压叫光生伏特效应。2.太阳能电池应用的例子有太阳能手机充电器、太阳能汽车、高速公路护栏上的太阳能护栏灯。3.光敏电阻是光电导效应的应用例子。4.光电发射效应的应用例子有阴极射线管、激光器。思考与练习1-31.1960年发明了世界第一台红宝石激光器，第一个可以使用的半导体激光器在1970年诞生。2.CRT是传统的显示器件，目前采用平板显示技术的器件有LCD、LED、OLED、PDP以及DMD等。3.目前纳米光电器件研究的重要方向之一是碳基光电器件。石墨烯的光学特性也很优异，与其相关的光电器件的研究也受到了广泛的关注。复习思考题1.半导体激光器是用半导体材料作为工作物质产生激光的器件，也称为激光二极管（LD）;光电探测器是将光辐射信号转换为电信号（电压或电流）的光电器件。光电成像器件是输出图像信息的光电器件；光电显示器件是将非视觉信息转换为视觉信息的光电器件，是各种仪器信息系统的终端。2.光电二极管、光电三极管、光电池基于光生伏特效应，光敏电阻基于光电导效应，光电倍增管基于外光电效应。3.变像管、像增强管属于直视型光电成像器件，摄像管、CCD属于非直视型光电成像器件。4.目前光电显示器件普遍采用平板显示技术。

1.光电倍增管由_______、_________、_______、________、_________组成。光电倍增管作用是_________________________。2.使用光电倍增管时，应特别注意____________________、_________________、______________________、__________________、____________________、____________________、______________________、______________________。3.简述光电倍增管的工作原理。 答案：1.光电倍增管由发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）、入射面板（窗）等组成。光电倍增管作用是将微弱的光信号转换成可测电信号。2.使用光电倍增管时，应特别注意(1)光电倍增管的工作电压可能造成电击，在仪器设计中应适当地设置保护装置。(2)由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影响。(3)不要用手触光电倍增管，面板上的尘土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。(4)当阳光或其他强光照射到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管存放时，不应暴露在强光中。(5)玻璃管基（芯柱）光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。(6)在使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。(7)氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。。3.简述光电倍增管的工作原理。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过打拿极(电子倍增极)进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出1．当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照强度增大而减小。入射光消失，电阻也逐渐恢复无穷大，电流也逐渐变为0。2．列举实例，光敏电阻可用在调光电路、光控开关、延时开关等电路中。3．光敏电阻的符号。1.举光电二极管的应用实例光电电流源、光电二极管作光电导、光电二极管红外线遥控接收。光电二极管也具有__单方向导电特性。2.光电二极管的特性无光照时电流___很小_、有光照时电流_产生_、光强增强光电流_____增大_________。3.简述光电二极管的工作原理。光电二极管在光照作用下，许多光子将通过N型半导体进入P型半导体。进入P区的部分光子将会与束缚电子碰撞而将其分离原来的位置，并在此过程中产生空穴。如果碰撞在PN结附近进行，被逐出电子将越过PN结。结果，在N侧额外增加了电子而在P侧额外增加了空穴。正负电荷的分离使得在PN结两侧形成了电位差。此时，如果用一根导线将负极（N侧）与正极（P侧），电子将从有丰富电子的负极流向有丰富空穴的正极（或按习惯，认为电流从正极通过导线流向负极）。光电三极管由衬底,NPN三层半导体,二氧化硅绝缘层,发射极和集电极两个电极组成。2.选用万用表R*1K挡，测光电三极管任意两管脚引线间正、反向电阻，均为_无穷大。正、反向阻值一大一小则不是光电三极管，而是光电_二极管_。简述光电三极管的工作原理。其工作原理分为两个部份：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程与一般光电二极管相同，在集—基PN结区内进行。光激发产生的电子—空穴对在反向偏置的PN结内电场的作用下，电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流向基区与正向偏置的发射结发射的电子复合，形成基极电流，基极电流将被集电结放大，这与一般半导体三极管的放大原理相同，光电三极管可等效为光电二极管和一个三极管连接。不同的是一般三极管是由基极向发射结注入空穴载流子，控制发射极的扩散电流，而光电三极管是由注入到发射结的光生电流控制的。举光电三极管的应用实例光电三极管与三极管构成达林顿管,接收光信号,作为555电路的输入,从而控制3脚输出,控制继电开关K、亮通光电控制电路、暗通光电控制电路。5．光电三极管的符号。1.硅光电池的结构由基体材料为一薄片P型单晶硅、_栅状正电极、_N型受光层、抗反射膜、_栅状负电极组成。硅光电池按材料分为单晶硅、多晶硅、非晶硅三种。2.使用硅光电池时，应特别注意硅光电池的寿命很长，性能很稳定，但是要注意保护，不能受机械损伤，一旦电池破碎就无法再使用了、硅光电池不能受潮，也不能沾油污，否则将使抗反射膜脱落、应避免用白炽灯的光源长时间照射硅光电池，这样会使电池的温度升高，降低输出功率、硅光电池的输出电压一般为0.5V，为能获得较高的电压，可将硅光电池串联起来使用，如要获得较大的电流，也可将硅光电池并联使用3.简述硅光电池的工作原理。硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半导体中激发出光生电子一空穴对。PN结两边的光生电子一空穴对，在内电场的作用下，属于多数载流子的不能穿越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在N区的集结使N区带负电，光生电子在p区的集结使P区带正电。P区和N区之间产生光生电动势。当硅光电池接人负载后，光电流从P区经负载流至NE，负载中即得到功率输出把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。4．举硅光电池的应用实例_太阳能电池玻璃车、太阳能电池在卫星上应用、_太阳能路灯。5．硅光电池的符号。红外探测器按工作原理可分为热探测器、光子探测器两类。红外探测器按工作方式可分为_主动式红外探测器、被动式红外探测器两类。红外探测器按测量范围可分为点控红外探测器、线控红外探测器、面控红外探测器、空间防范红外探测器四类。2.使用红外探测器时，应特别注意被动红外探测器是一种在安防工程中使用极为普遍的探测器，要让其正确使用，防止漏报，减少误报，很重要的一点是合理确定安装的位置、根据说明书确定正常的安装高度。安装高度不是随意的，它会影响到探测器的灵敏度和防小宠物的效果、不宜面对玻璃门窗、首先是由于面向玻璃门窗会有强光干扰，其次探测器且易受到窗外复杂环境的干扰。不宜正对冷热通风口或冷热源，感应作用与温度有着密切的关系不宜正对易摆动的物体。3.红外探测器的优点有环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力;隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰、由于是根据目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光、与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低_、探测器的光谱响应从短波扩展到长波;探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面;发展了种类繁多的探测器和系统。4.简述光子探测器的工作原理。光子探测器是利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。其原理是探测器中电子吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光5．红外探测器的主要特性参数有响应率、响应波长范围、噪声电压、噪声等效功率、探测率、响应时间。6．比较热探测器与光子探测器的主要区别。热探测器应用红外热效应和光子探测器应用光电效应7.举例说明红外探测器有那些应用？红外夜视红外雷达红外制导红外对抗1．半导体激光器按结构分主要有同质结激光器、异质结激光器、大光腔激光器、分离限制ＳＣＨ激光器、Ｆ－Ｐ腔激光器、ＤＢＲ和ＤＦＢ激光器、ＶＣＳＥＬ激光器几种2.半导体激光器的工作特性有阈值电流、方向性、效率、光谱特性几个。简述半导体激光器的特点。半导体激光器特点是体积小、质量轻、寿命长、结构简单而且坚固等，波长范围可以从红外到蓝光，功率从毫瓦量级到瓦级都有，光转换效率较高简述同质结半导体激光器的结构。两边采用相同半导体材料(禁带宽度相同）的PN结称为同质PN结。同质ＰＮ结形成的激光器叫同质结激光器，如图3－4(a)和3－4(b)所示为二种同质结激光器，即只用一种半导体材料制备的Ｐ－Ｎ结型和p-n结型半导体激光器。（英文小写和大写字母分别表示窄带隙半导体和宽带隙半导体单异质结激光器可以分为同型异质结（N－n或P－p）和异型异质结（N－p或P-n两种。双异质结激光器分反型和同型两种。3.激光二极管的符号______________________。4.简述半导体激光器的工作原理。在正向偏置的情况下，建立特定激光能态间的粒子数反转，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔，有合适的光学谐振腔，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光简述同质结半导体激光器缺点与异质结半导体激光器的优点。同质结半导体激光器缺点：P-N结区较大，且电子或空穴向结区外扩散严重，使形成粒子数反转较难，要求泵浦电流较大，且只能以脉冲方式工作，需要阈值电压过高。是早期的半导体激光器，目前已不采用此类结构。异质结半导体激光器的优点：有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。1.半导体激光器的发展经历了同质结型半导体激光器时代、异质结型半导体激光器时代、高功率半导体激光器、激光波段的扩展等过程。2.大功率半导体激光器的突破性进展主要是散热问题的解决、功率和寿命的提升。3.大功率半导体激光器的散热通过加在bar上装有某种金属热沉解决。1．激光调制有、、等方式。2．激光调制的种类有_______、_________、_______。3．简述激光打印机的工作过程。1．激光调制有声光调制、电光调制、直接调制和磁光调制等形式。2．激光调制的种类有连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制。3．简述激光打印机的工作过程。答：激光打印机的工作过程分如下6个步骤：列举半导体激光器在工业上的应用的二个例子激光焊接、激光打标机。列举半导体激光器在军事上的应用的二个例子半导体激光引信_、激光雷达_。列举半导体激光器在医学上的应用的二个例子美容上除皱嫩肤、激光外科手术。简述激光头的工作原理。激光头工作时，首先半导体激光二极管发射出单一波长、相位一致的激光，经过不同作用的由物镜、准直透镜、1/4波长片、分光棱镜和圆柱透镜组成的光学镜片构成的光路系统，将激光二级管发射出的激光入射到光盘上面。光盘是以沿螺旋形轨迹排列的不同长度的椭圆坑槽和间隔来表示信息（图像和声音）内容的。光盘上刻录的椭圆形坑呈螺旋状排列。当激光束投射到旋转光盘的无坑部分时，激光被垂直地全部反射回物镜；当投射到坑槽部位时，在坑的周围部分波面发生弯曲，根据光的干涉原理，波峰与波峰一致的两个（反射）光波互相增强，波峰与波谷一致的两个（反射）光波互相抵消。激光头通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而将信息读出1.变像管由由光阴极、电子光学系统和荧光屏组成。2.紫外像增强器的结构由阴极、MCP增强级及荧光屏_组成。3.简述紫外像增强器的工作原理。入射辐射透过像增强器光窗照射光阴极时，由于光电反射效应而产生光电子，在光阴极和MCP输入面(MCP-入)之间的电场作用下，光电子加速并分别进入MCP的通道，经过逐级倍增形成大量次级电子，然后经输出端面(MCP-出)和荧光屏的几千伏电压加速后轰击荧光屏，引起荧光材料发光，在荧光屏上形成二维图像，输入光学图像因此被增强并按高斯分布经电子聚焦显示输出在荧光屏上，实现对紫外目标图像的探测。光电子数目与入射辐射的强度成正比，图像每点的亮度与光阴极上对应的光强度成正比典型的摄像机有光导摄像管、热释电摄像管、分流摄像管、二次电子导电式光电摄像管、硅靶摄像管。简述热释电摄像管的工作原理。热释电摄像管靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆盖一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐照度成正比。因而，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大后，再送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图热释电材料只有在温度变化的过程中才产生热释电效应，温度一旦稳定，热释电就消失。所以，当对静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制。对于运动物体，可在无调制的情况下成像。光导摄像管由电子枪、屏幕、光敏靶组成。1.CCD图像传感器由_______、_______和_______三层组成。2.请阐述CCD和CMOS的优缺点。3.简述黑白CCD的工作原理。4.用流程图表述彩色CCD的工作原理。CCD图像传感器由“微型镜头”、“分色滤色片”、“感光层”三层组成。请阐述CCD和CMOS的优缺点．答：CMOS具有体积小、重量轻功耗低、集成度高、价位低等优点，但光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量无法与CCD图像传感器相比。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，但体积大、功耗大。简述黑白CCD的工作原理．答：CCD芯片上面整齐地排列着很多小的感光单元，光线中的光子撞击每个单元后，在这些单元中会产生电子（光电效应），而且光子的数目与电子的数目互成比例。但在这一过程中，光子的波长并没有被转换为任何形式的电信号，换言之，CCD裸芯片实际上都没有把色彩信息转换为任何形式的电信号。如下所示，物体在有光线照射到它时将会产生反射，这些反射光线进入镜头光圈照射在CCD芯片上，在各个单元中生成电子。曝光结束后，这些电子被从CCD芯片中读出，并由相机内部的微处理器进行初步处理。此时由该微处理器输出的就是一幅数字图像了。用流程图表述彩色CCD的工作原理．答：棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在三个CCD上。这样一来，每个CCD就只对一种基本色分量感光，分别生成红、绿、蓝三个电子排布图，红、绿、蓝三个电子排布图通过相机内部处理器，分别得到三个数字原始图像，三个数字原始图像进行叠加就是原来的图像。光电显示器件的根据收视信息可分为直观型、投影型、空间成像型三种。光电显示器件的根据显示原理可分为阴极射线管（CRT）、辉光放电管（GDD）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、发光二极管（LED）、场致发射显示器（FED）、电致发光显示器（ECD）、电致变色显示器（ECD）、激光显示器（LPD）等类型。简述光电显示器件的发展历程。人们从外界获得的信息有60%以上是通过视觉获得的,就使得显示产业在信息产业中至关重要,对信息显示的要求越来越高,随着光电子技术的发展,显示技术发展迅速,已渗透到工业生产、社会生活和军事领域.光电显示器件作为人机交换的窗口,在信息技术高度发展的时期取得了长足进展,孕育出一代又一代新产品列举三个发光二极管的应用实例。作指示灯、作数码管、作照明简述发光二极管的发光原理。发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能;常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的光子。3.发光二极管的正极连在一起叫共阳极数码管，在另外一端加低电位能点亮该段。发光二极管的负极连在一起叫共阴极数码管，在另外一端加高电位能点亮该段。1.简述液晶的主要分类和各个类别的液晶的特点。2.液晶显示屏的分类和各自的特点?3.简述TN型液晶显示器的结构和工作原理?4.简述TFT型液晶显示器的结构和工作原理?5.液晶显示器的发展趋势?1.简述液晶的主要分类和各个类别的液晶的特点。液晶分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶当其固态受热时，不会直接熔解为液体，而是转化为液晶态。溶致液晶是放在一定的溶剂中，由于溶液浓度发生变化而出现的液晶。2.液晶显示屏的分类和各自的特点?液晶显示屏主要分为TN型液晶显示屏和TFT型(薄膜晶体管液晶平板)液晶显示屏。TN型液晶显示屏通常是黑白显示，面板尺寸较小（大约1-3英寸），主要应用于电子表、计算器和简单的掌上游戏机。TFT型液晶显示屏通常是彩色显示，面板尺寸可以达到12英寸以上，主要应用于笔记本电脑、投影仪和液晶彩电等。3.简述TN型液晶显示器的结构和工作原理?结构如下图所示TN型液晶显示的原理就是，在外加电场的作用下，棒状的液晶分子会呈现出不同的排列状态，使得穿过液晶的光被调制，从而显示出明与暗的效果。通过改变电压的大小，可以改变液晶转动的角度和光的方向，从而达到改变字符亮度的目的。4.简述TFT型液晶显示器的结构和工作原理?结构如下图所示薄膜晶体管型（TFT型）液晶显示器是TN型液晶显示的基础发展起来的，都是通过给电极加电场液晶让光线改变方向，来控制光线是否通过或通过的多少。整个液晶屏实际上是由许许多多的像素单元构成，而每个像素单元又是由R、G、B三个子像素单元组成。当液晶的供应电压变动时，液晶分子排列就会产生变化，因而光线的折射角度就会不同，R、G、B三个子像素就会各自拥有不同的灰阶（亮度）变化。然后把邻近的三个RGB显示的点,当作一个显示的基本单位,也就是一个像素，那这一个像素，就可以拥有不同的色彩变化了。而各个像素结合起来，就形成了整个液晶屏的色彩变化。5.液晶显示器的发展趋势?液晶显示器的发展趋势有以下几点：加快响应时间宽屏应用无线液晶显示器更加环保节能1.彩色等离子体显示板从结构上可分为前基板、后基板、等离子体发光管三部分。2.PDP的发光显示主要由气体放电过程和荧光粉发光过程两个基本过程组成。3.简述等离子电视的优点。3．PDP的优点（1）