1、光电检测技术课程作业与答案思考题及其答案 习题 01一、填空题1、通常把对应于真空中波长在（ 0.38 m）到（ 0.78 m ）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）。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 准光度观察者”的光谱光视效率 V
2、（）,或称视见函数。2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，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、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该 方向的平面上的正投影面积。单位为 （瓦每球面度平方米 ） 。4、辐射强度：辐射强度定义为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 ）。三、简答题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特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。四、计算及
3、证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律， 两个相距 10 倍的相同探测器上的照 度相差多少倍？答： 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 4 I又 半径为 R的球面上的辐射照度为 E d 2 dA 4 R2习题 02、填空题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） 。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
4、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称为导带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为 价带。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，此时载流子浓度即为某一稳定值。3、强光注入、弱光注入：强光注入：满足 nnpn n n0pn0nini nn0 nn0pn0nini nn0 nnpn 条件的注入称为 弱光注入。4、非平衡载流子寿命：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
5、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。3、产生本征吸收的条件是什么？ 答：入射光子的能量（ h ）至少要等于四、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 Ei=0.09(eV) 的非本征半导体。试计算本征半
6、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。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h6.626 10 -34 (J.s) ，光速 C2.998 10 8(m/s) ，电子电量 e1.610 -19 库仑）cch1.241.240000m 1.24 m1解：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、或导电率发生变化，或产生光电动势等，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。当入射光线的频谱成分不变 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 K
7、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地增大，而与入射光的光强无关。二、简答题 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。 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 Vo 或输出电 流 Io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
8、的光电子数与入射光量子数 之比。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 0 ，超过此 波长，器件没有响应。 （10 220m） 响应快，一般在纳秒到 几百微秒。习题 05一、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
9、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， 常多采用电阻链分压办法供电。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。(2)供电电源电压稳定性要求较高。(3)为了不使阳极脉
10、动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分 压电阻上并联电容器。(4)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。二、计算题 现有 GDB-423 光电倍增管的阴极有效面积为 2cm 2 ，阴极灵敏度为 25 A/lm ，倍增系统的放大倍数 10 5 ，阳极额定电流为 20 A，求允许的最大 照度。解：ia20 AM105ikia210 4AMSIikikAEEik42 10 A 24 2 0.04 lm m2 0.04lxASI2 104 m2 25 A lm习题 06一、分析题红外报警电路如图所示，分析它的工作原理？答：当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截
11、止状态，光敏三极管的集电极 为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为 低电平，驱动继电器 J 工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管控制端 有效，晶闸管导通，报警器正常工作。 S 为复位键。 当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平， 即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继 电器不工作，开关保持断开状态，晶闸管控制端无效，报警器不工作。 二、画图解释题用 PN 结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。习题 07一、填空题热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、简答题1、热电探测器与光电探测器
12、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
13、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 60 。习题 08 一、概念题 1、电极化：电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
14、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
15、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：当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片时，引起薄片的温度升高。 因而表面电荷减少，这就“释放”了一部分电荷。释放的电荷通过放大器 转换成输出电信号。如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新 的平衡值，表面电荷也达到新的平衡，不再释放电荷。也就没有输出信号。 而在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度有变化时才有输出 信号。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
16、少答：可见光的波长： 0.38 微米 0.78 微米14 14频率： 3.85 1014 HZ 7.89 1014 HZ 【利用公式 n 】19 19光子能量： 2.55 10 19 J 5.23 10 19 J 【利用公式 E h 】2 、一块半导体样品 ,有光照时电阻为 50 ，无光照时为 5000 ,求样品的 光电导。答：有光照时的电导为： G1 1 0.02S1 50无光照时的电导为： G2 1 0.0002S2 5000故：该样品的光电导为 G G1 G2 0.0198S习题 09一、填空题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
17、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。二、简答题1、半导体发光二极管的发光原理 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，沟 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
18、宽度 Eg ，即1.24 m eV Eg2、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
19、差。3、激光的产生有哪些条件？答：需要泵源 ,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。必须要有一个共振 腔提供正反馈及增益 ,以维持受激辐射的持续振。 4 、简述注入式半导体激 光器的发光过程。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，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
20、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。5、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
21、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。习题 10一、填空题 光电耦合器是由（发光） 器件与（光敏） 器件组成的（电）（光） （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。二、简答题1、简述光电耦合器件的电流传输比 与晶体管的电流放大倍数 的区别？ 答：晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即 大；光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子是与光激发出的空穴 相复合而成为光复和电流，可用 IF 表示， 为光激发效率（它是发光二极
22、 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 IC。即光电耦合器件在不加复合放大三极 管时， 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 10 10 10 12，击穿电压高达 100 25KV ，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
23、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，抗震，密封 防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在 55 100 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已经短路。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） （
24、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。习题 12一、概念题1 、转移效率：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） ，则转移效率 定2、转移损失率：电荷包从一个势阱向
25、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) ，则转移损失率定义为残留于原 势阱中的电量与原电量之比，即 Q t 二、简答题Q01 、为什么 CCD 必须在动态下工作？其驱动脉冲的上、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
26、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。 为了避免由于热平衡载流子的干扰，注入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。 当时钟频率过高时， 若电 荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间 t 大于时钟脉冲使其转移 的时间 T/3 ，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，转移效率大大下降。 f 上决定于电荷包转移的损耗率，就是说，电荷包的转移要有足够的时间， 电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。三、分析题 分析浮置扩散放大器输出的工作原理答：V1为复
27、位管， R1为限流电阻， V1为输出管， RL为负载电阻， C 为等 效电容。电荷包输出前，要先给 V1 的栅极加一窄的复位脉冲 R，这时， V1 导通，C 被充电到电源电压， V2 管的源极 S2的电压也跟随上升接近于电源 电压。 R变为低电平以后， V1 截止，但 V2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 、变像管还是像增强管取决于（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
28、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（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
29、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 、已知硅光电二极管 2DU2 的灵敏度 Si=0.55 A/ W，结间漏置电导 G=0.02 S，转折点电压 UM=13V ，入射光功率从 min =15 W 变到max =35 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
30、RL。输出电压U。(3) 输出电流 I。解：(1)G0U 0 GU 0Si maxGU 0 SG0i max GSi max0.02 0.55 35 1.5 S0 U 0U013又G0U 0 U b U 0 GLG0U 0 1.513GL0.464SU b U0 5513RL12.16MGL(2)GL Ub Umax GUmax S minU max GLU b Si min GL G 35.7VU Umax U 0 22.7V光照度为 1000W/m 2 的条件下， U OC=0.55V ， I SC =12 10 -3 A。求能在200 700 W/m 2 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：(2) U RM IP RMSi Emax Emin 45 12 10 6 500 0.27VU0.27(3) I RUM0.006 A 6mA453、光敏电阻 R与 RL20k 的负载电阻串联后接于 Ub12V 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 U22V ，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 Sg61
