2022年《光电技术》复习资料.pdf

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1、word 1、设受光表面的光照度为100lx，能量反射系数0.6，求该表面的光出射度和光亮度（假定该表面为朗伯辐射体） 。 （cosdSdILvv）解：设受光表面光谱反射率相同，则每单位表面反射的光通量为601006. 0入反Lm/m2这也就是该表面的光出射度Mv。对朗伯辐射体，其光亮度vL与方向无关，沿任意方向（与法线方向成角）的发光强度I与法线方向发光强度0I之间的关系为cos0II每单位面积辐射出的光通量除以即为其光亮度：1.1914.360cos10vSvvvdSdIdSdILCd/m2sr 附： 朗伯体法向发光强度I0与光通量v的关系由定义，发光强度ddIv，所以在立体角d内的光通量

2、：ddIIddvsincos0在半球面内的光通量2002/00sincosIddIv2、计算电子占据比FE 高 2KT、10KT 的能级的几率和空穴占据比FE 低 2KT、10KT能级的几率。解： 能量为 E 的能级被电子占据的概率为)exp(11)(kTEEEfFnE 比 Ef高 2kT 时，电子占据比 ：1192.011)2exp(112ekTkTfeE 比 Ef高 10kT 时，电子占据比 ：5101054. 411efeE 比 Ef低 2kT 时，空穴占据比 ：1192. 011)exp(112ekTEEffpE 比 Ef低 10kT 时，空穴占据比 ：5101054.411efp精品

3、资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 3、设 NSi中310105.1cmni，掺杂浓度31610 cmND，少子寿命s10。如果由于外界作用，少子浓度P0（加大反向偏压时的PN 结附近就是这种情况） ，问这时电子一空穴的产生率是多少？（复合率PR，当复合率为负值时即为产生率）解：在本征硅中，2021025. 2iiinpn，在 N 型硅中，少子浓度：4162021025. 21011025. 2diNnP产生率为：R=9641

4、025. 210101025. 2PR每秒钟每立方厘米体积内可产生2.25 109个。4、一块半导体样品，时间常数为s1.0，在弱光照下停止光照0.2s后，光电子浓度衰减为原来的多少倍？解：teentn)0()(1354. 0)0()(2entnee5、一块半导体样品，本征浓度310105. 1cmni，N 区掺杂浓度31710cmND，P区掺杂浓度314107cmNA，求 PN 结的接触电势差DU（室温下，VqKT026.0） 。解：在 P-N 结处，接触电势差)(685. 046.26105875. 2105 . 110107ln10602. 13001038. 1ln2202171419

5、2320伏idanNNekTV精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 6、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发射系数均为4，阴极灵敏度lmASk/20，阳极电流不得超过100A，试估算入射于阴极的光通量的上限。解：阳极电流 IA满足：nkvASI，所以入射光通量6101077.4420100nkAvSIlm 7、上题中，若阳极噪声电流4nA，求其噪声等效光通量 ?（ZHf1）解：题中未给出入射光的波长值

6、，我们取波长为555 nm，则1)(VNEP=.nnkmiSks-=?310104101 910204Lm 8、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31210601.0RR，光电导RG/1，所以光电导灵敏度75312121033.802001061106111EERRSES/Lx 9、某热探测器的热导为KW /1056，热容量为KJ /1035，吸收系数 0.8，若照射到光敏元上的调制辐射量为)cos6.01(5t，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fCGttt217.010

7、3105156，所以：027.02fHZ。温升随时间的变化关系)(2/1220)1(tjttmteGGT)(2126565)361(1051038.01051058.0tje)(212)361(4 .28tje精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 10、某光电导器件的特性曲线如右图，用该器件控制一继电器。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。试画出控制电路，计算所需串联的电阻和

8、暗电流。解：光敏电阻的光电导灵敏度为6512121011100010111000111EERRSES/Lx 在 400Lx 的光照下，光敏电阻的阻值为R。4601044001011ESRGES 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，如图 92 所示。11、 已知 2CR 太阳能光电池的ocU0.55 伏，scI50mA， 要用这种光电池组合起来对6V、0.5A 的蓄电池充电， 应组成怎样的电路？需要这样的光电池多少个？（充

9、电电源电压应比被充电电池电压高1 伏左右）解： 光电池用于能量转换时，输出电压一般取开路电压的0.8 倍，这时输出电流约为0.8Isc=40mA , 输出电压 0.44 伏。需用1644.00 .10 .61N个电池串联供电。每支路提供40毫安的电流，需要13405002N条支路并联。共需用208131621NNN个这样的电池串、并联供电。题 91 图 光敏电阻的特性曲线)(kR1001011.001.0110100310410)(lxERt 30V R J 题 92图 光敏电阻控制继电器电路R1 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳

10、- - - - - - - - - -第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 12、具有上题所示特性的光敏电阻，用于右图所示的电路中。若光照度为E（40050sin t ）lx，求流过2R 的微变电流有效值和2R 所获得的信号功率。解：设光照度变化频率和电容量 C 足够大，则电容交流短路。交流等效负载为R1和 R2的并联值， R=2k。由上题， G0=410-4 S，Gmax=Sg Emax=1.010-6450=4.510-4 S 直流工作点：3411001000.65.2100.4130kRRUI（安） 。光照度最大时，总电流3411maxmax1035

11、.65 .2105.41301kRGUI（安）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：mAmAkkkiRRRi12. 035.055.25 .2max211max2负载电阻 R2所获得的信号功率为：52332max22108 .3)1012.0(1055.021iRPSW 13、 某光电二极管的结电容5pF， 要求带宽 10ZMH， 求允许的最大负载电阻是多少？若输出的信号电流为10A，在只考虑电阻热噪声的情况下，求300TK 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：因为LjHRCf21，所以最大负载电

12、阻：kfCRHjL18. 3101052121712电 阻 热 噪 声RfkTin42， 信 噪 电 流 有 效 值 之 比 ：3217232135106 . 1)103001038. 14()1018. 3(10nsiiNS837231004. 16 . 0/1018. 3103001038. 14SiNEPnW V30)(tR)5. 2(1kR)5(2kRC题 10 图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 14、某光电二

13、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） 若其能接收 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。 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情况下的负载电阻和电路通频带宽度。解：最大负载电阻：kfCRHjL31. 51061052121612负载曲线通过拐点时，光电二极管耗散功率为MEEVS

14、P所以：363m a xm a x1067.6100.31010200EMSVPELX取 RL为最大负载电阻，其热噪声功率为13623100. 11063001038. 144fkTPrW 取光谱光视效率为最大值683，得可探测的最小光照度为：1113min1083.6100 .1683)(rPVELX在最大输出信号电压情况下，照度达100LX时，光电二极管上压降为10 伏，输出电压 Us=U0-UM=40伏，对应的光电流为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：5512104. 21033.11052121L

15、jHRCfHZ 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 三、教材上所布置的所有作业题。第一章：1、解：光衰减器的透射比指的是光辐射能量的透射比。在亮视觉时，对波长为nm8.4351的单 色 光 ， 光 亮 度111)(emvLVKL， 对 波 长 为nm1.5462的 单 色 光 ， 光 亮 度222)(emvLVKL， 且有21vvLL。在暗视觉时，应有：411110)(emvLVKL，422210)(emvLVKL因为：)

16、()()()()()()()()()(1221222111221121VVVVVLVVVLLVKLVKLLvvememvv9.200173.0714.0978.02640.0大于 1，所以在暗视觉时， 波长为nm8 .4351的光源的光亮度大于波长为nm1.5462的单色光源的光亮度。（光谱光视效能值参见教材第4 页，此处采用了数值内插）2、解：白炽灯各向同性发光时848305.114.34422vvvERSELm 3、解：由维恩位移定律，KmTm2897，所以KTm6 3 5 3456.028972897精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名

17、师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 4、解： 该激光束的光通量328.0102240.0683)(3emvVKLm （流明）发光强度)1028.3(102 .44/)101 (328.05523vvICd(坎德拉 ) 光亮度)102. 4(1035. 54/)101(102 .41111235或SILvvCd/m2光出射度523102.44/)101 (328.0SMvvLm/m2 10 米远处光斑面积大小：52321085.7)10110(414.3)(4LSm2 反射光功率为：33107 .110285.

18、 0PPW 反射光通量279. 0240.0683107.1)(3VKPmvLm 漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I0与光通量的关系是/0I，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：3501013.11085.714.3279.0SSILvvCd/m2第三章7、解：97100.8100.22121HfS 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 1、解：300K 时，310/105.1cmni，1510dN远大于 ni，所

19、以dipNn=+?1510。而npni2，.innp=?220515225 10225 1010个/cm2其费米能级)(29.0)(106.4105.1103001038.120101523eVEJELnEnNkTLnEEiiiidifn其能级图如右。2、解：300K 时，因310/105. 1cmni，161025. 2idnNn416202101025.21025.2nnpi个/cm2其费米能级)(42.0)(1073.6105 .11025.23001038.120101623eVEJELnEnNkTLnEEiiiidifn其能级图如右。6、解：因为归一化探测率NEPfADd*，所以10

20、1132*1013.310105)25. 0(DfANEPdW 这就是能探测的最小辐射功率。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 4、解： （a）300K 时，本征硅的电导率)(/104 .4)4801350(106 .1105 .1)(61910cmqnpqnqpnipn（b）掺杂率 10-8，则掺入的施主浓度为1482210510105dN所以，14105dNn，5142102105 .4105)105. 1(pnpi)

21、(/108. 0106 .1)480105 .41350105(19414cmpqnqpn8、解：该金属光电发射体的逸出功为2.5eV， 所以eVEEWf5. 20， 且eVEEC5 .70。(a) 发生光电效应的长波限：7198341097.4106 .15 .21000.31062.6Whcmm (b) 费米能级相对于导带底的能级差0. 5)5.7()5.2(00EEEEEcfeV 第四章10、解： （b）阴极电流AESSIKK441041021. 020倍增系数61101034.2)495. 0(98. 0)(nM阳极电流AMIIKA2641036. 91034.2104精品资料 - -

22、 - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 11、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：knAVM，所以VdVknMdM如要求放大倍数的稳定度大于1% ，则电压的稳定度应优于31004.101.0128 .011MdMknVdV12、解：因为阳极电流ESMSIKA，所以最大光照度4 .0101022520054maxmaxSMSIEKK lx第五章2、解：光敏电阻中的光电流EUgSI

23、g)(0，所消耗的电功率为IUP，所以极限照度为；2 0 020)0105.0(1040)(26320maxmaxUgSPEglx 第八章4、解 ： 由 题 意 ， 电 荷 转 移 率 为5. 0)1(0nnneQQ， 式 中20482mn， 所 以 ：401038.35 .0ln20481ln1QQnn精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 3、解：电路如右图所示。 RL上的分压为URRRUtLLL，所以LLLtRUUUR

24、无光照时61102 .12000020.0020.012tR有光照时421020002212tR 因为光电导ESGGgpp0所以光照度)11(1120ttggpRRSSGGE5.16)102.11101(1061646LX4、已知 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。用此光敏电阻控制继电器，其原理如图所示。如果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？如果需要在400 LX时继电器才能吸合，则此电路需作如何改进？解：由题意，kRL4sRREEGGSttpg67120102)10150001(1001)

25、11(1 继电器吸合时的电流为2mA ，由3310610212IURRLpkRP2236105 .210210211PgRSElx Rt RL U 题 53 图CdSJ12V 题 54 图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 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kESRgP25.1400102116继电器的电阻是4 千欧，所以还应串接一个750 欧姆的电阻。（也可将电源电压降为10

26、.5伏） 。5、解： （a）恒流偏置，()bCgbeUIRrbb=+1()bOCc cCcgbeUUVI RVRRrbb=-=-+1（b） 恒压偏置，bebeUVU，()()bebeUIR rbb=+11，()bCgbeUIRrbb=+1()bOCCCCCbeUUVI RVRRrbb=-=-+1第六章6、解：因为微安表满量程电流为100微安，故 I2最大值是 1.4 毫安。这时光电池电压0.3 伏，所以214104 .13.032R在微安表支路中，电流为0.3/（10010-6）=3103欧姆，所以 R1为 2000 欧姆。8、现有一块光敏面积为55mm2的硅光电池 2CR21，其参数为2/7

27、mmLnASX，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，如图所示。因为ffSCSEARRIU所以，在 100 lx 的照度下，59107 .55510010710SEAURf同理，在 100 lx 的照度下，4107. 5fRRf + - -+ - 题 6 8 图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 17 页 - -

28、- - - - - - - - word 9、解： （1）2CU2 的暗电流760104105.16.0fdRVI（A）（2）有光照时，ESIEP，fdPRIIV)(1，所以：6761102 .1)104105.14.2(1001)(1dfEIRVESA/lx 10、用 2CU1 型光电二极管接收辐射信号，如题611 图所示。已知 2CU1 的灵敏度4.0SA/W，暗电流小于 0.2 A，3DG6C的50。当最大辐射功率为400W 时的拐点电压10MVV，求获得最大电压输出时的0R 值。若入射辐射功率由400W 减小到 350W 时，输出电压的变化量是多少？解： 由于最大光电流1604004.

29、 0maxmaxSIPA 远大于暗电流2. 0dIA，所以暗电流可以忽略。a)最大辐射功率为 400 W 时，拐点电压10MVV，这时输出电压3 .7107. 018MbeCCOUUUUV 由于eeeORSRIUmax) 1(，所以895104004 .0)150(3.7) 1(6maxSUROeb)当辐射功率从 400 W 减小到 350 W 时，91. 089510504 .0) 150()1(6eeeORSIRUV2CU1 3DG6 +18V ReVO题 611 图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - -

30、- - -第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 11、解：由题意，应由直流负载电阻CR 来确定直流工作点，放大器输入电阻iR 与直流负载电阻CR 并联共同组成光电二极管的交流负载。其检测电路和交流等效电路如图所示。（1）在直流静态工作点Q，应有CQbEQQGVVESVGI)(00在交流情况下，应有mEiCMQESGGGVV)(0在取得最大输出功率的情况下，应有CiGGG0，以上三式联立求解，得：)(22)2(00MbMmECVVVGEESG6001)1040(210005.02)523(105.06S 所以：6 0 0CR15016001005.00Ci

31、GGGS 150iR（2）输入给放大器的电流为tttESimEis i n75.0sin35.05.0sin21其有效值为AiIii53.075. 0707. 0707.00电压有效值为56100.81053.0150iiiIRV伏功率有效值为WIVPiii1175102.4103. 5100. 8（如取结间电导6010005. 0GS，则7102 .2CGS，6106.4CR，6105. 4iR；AIi53.0，38.2iVV，61026.1iPW）精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15

32、页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 12、解: 图中用 2CU 型光电二极管接受辐射通量变化为)sin520(tW的光信号，其工作偏压为 Ub = 60 V，拐点电压 UM = 10 V，2CU的参数是：光电灵敏度6.0S A/W，结电容Cj = 3 pF 。设引线分布电容 C0= 7 pF, 试计算：(1) 管子工作在线性区并获得最大输出电压时，Rb 应为多少？输出电压有效值VL？上限截止频率 fH? (2) 若 RL上的信号电压只需 2mV( 有效值 ) ，为得到最大截止频率fH，则 Rb 应为多少？上限截止频率 fH? 解： （1）管子取得最大输出电压时。

33、交流负载电阻LR 应取无限大，这时6601033. 310)520(6.01060)(mMbbSVVR输出电压有效值07.71056.01033.3707.0707.066mbLSRVV 上限截止频率31260108.410)73(1033.314.321)(21CCRfjbHHZ（2）若取mVVL2，则363101056.0707.0102707.0mLbSVR这时71230106. 110)73(1014.321)(21CCRfjbHHZ 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - - word 第九章2、解：若调制辐通量)cos1(0t ，则平均温升tdGT0交变温升)c o s()1(2/1220tGTtt式中温升和辐照之间的相角)a r c t a n (t5、解：因为归一化探测率NEPfADd*，所以探测器光敏元面积221092*1011)101101()(fNEPDAdcm2 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - - -