光电检测技术课程作业及答案(打印版)概要.docx

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1、思索题及其答案习题01一, 填空题 EMBED Equation.3 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，但当光及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依据对很多人的大量视察结果，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“标准光度视察者的光谱光视效率V(),或称视见函数。2, 辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变更率，单位为瓦 (1W=1J/

2、s)，是单位时间内放射, 传播或接收的辐射能。3, 辐射亮度：由辐射外表定向放射的的辐射强度，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Wsr(瓦每球面度)。 三, 简答题辐射照度和辐射出射度的区分是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位一样，其区分仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者那么为描述扩展辐射源向外放射的辐射特性。四, 计算及证明题证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的一样探测器上的照度相差多少倍？答：习题02一

3、, 填空题1, 物体按导电实力分绝缘体半导体导体。2, 价电子的运动状态发生变更,使它跃迁到新的能级上的条件是具有能向电子供应能量的外力作用, 电子跃入的那个能级必需是空的。3, 热平衡时半导体中自由载流子浓度及两个参数有关：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, 半导体对光的汲取有本征汲取杂质汲取自由载流子汲取激子汲取晶格汲取。半导体对光的汲取主要是本征汲取。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

4、子称为价电子，及价电子能级相对应的能带称为价带。2, 热平衡状态：在肯定温度下，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：满意nnpn nn0pn0nini 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，价带中的电子假设先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子干脆从价带跃迁到导带简单得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地

5、变更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：迁移率及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, 产生本征汲取的条件是什么？ 答：入射光子的能量h至少要等于材料的禁带宽度。即四, 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。解：2, 某种光电材料的逸出功为1Ev，试计算该材料的红限

6、波长。10-3410810-19库仑解：习题03一, 概念题1, 光电效应：当光照耀到物体上使物体放射电子, 或导电率发生变更，或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的变更统称为光电效应。2, 光电放射第肯定律：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放射电流IK及被阴极所汲取的光通量K成正比。3, 光电放射第二定律：也称爱因斯坦定律。放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，而及入射光的光强无关。二, 简答题外光电效应和内光电效应的区分是什么？答：外光电效应是物质受到光照后向外放射电子的现象，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

7、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及入射光功率P之比。2, 热噪声：载流子无规那么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上产生的信号功率及噪声功率之比。4, 量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数及入射光量子数之比。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，汲取辐射产生信号须要的时间长，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

8、件没有响应。 10220m 响应快，一般在纳秒到几百微秒。习题05一, 简答题1, 光电倍增管的根本构造及工作原理是什么？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), 二次放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光电阴极K上。此时间电阴极的电子受光子激发，离开外表放射到真空中。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留意哪些

9、问题 ？答：(1)倍增管各电极要求直流供电，从阴极开场至各级的电压要依次上升，常多采纳电阻链分压方法供电。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)为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变更，常在最终几级的分压电阻上并联电容器。(4)倍增管供电电路及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2cm2 ，阴极灵敏度为25A/lm，倍增系统的放大倍数105，阳极额定电流为20A，求允许的最大照度。解：习题06一, 分析题红外报警电路如下图，分析它的工作原理？答：当

10、光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，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，晶闸管限制端有效，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，晶闸管限制端无效，报警器不工作。二, 画图说明题用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件。二, 简答题1, 热电探测器及

11、光电探测器比拟，在原理上有何区分？答：热电探测器件是利用热敏材料汲取入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一局部光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有奉献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特殊宽，从紫外到红外几乎都有一样的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。2, 热电探测器及一般温度计有何区分？答：一样点：二者都有随温度变更的性能。不同点：温度计要及外界有尽量好的热接触，必需到达热平衡。热电探测器要及入射辐射有最正确的相互作用，同时又要尽量少的及外界发生热接触。3, 简述辐射热电偶的运用考前须知。答：由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，简单破裂，运用时应防止振动。额

12、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。应防止通过较大的电流，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，否那么会烧坏金箔，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，所以没有导电实力。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更。例如，加上电压后，正电荷平均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极

13、。虽然其移动距离很小，但电介质的一个外表带正电，另一外表带负电。称这种现象为电极化。2, 居里温度：铁电体的极化强度及温度有关，温度上升，极化强度减低。上升到肯定温度，自发极化就突然消逝，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汲取辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中局部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，在能带构造上无禁带，汲取辐射产生温升后，自由电子浓度的增加

14、是微缺乏道的。相反，因晶格振动的加剧，却阻碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其肯定值比半导体的小。2, 简述热释电探测器的工作原理。答：当红外辐射照耀到已经极化了的铁电薄片时，引起薄片的温度上升。因而外表电荷削减，这就“释放了一局部电荷。释放的电荷通过放大器转换成输出电信号。假如红外辐射接着照耀，使铁电薄片的温度上升到新的平衡值，外表电荷也到达新的平衡，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更时才有输出信号。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少HZ【利用公式】 J【利用公式】2, 一块半导体样品,

15、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：无光照时的电导为：故：该样品的光电导为习题09一, 填空题发光二极管的发光亮度，根本上是正比于电流密度。2, 氦氖激光器以直流电源驱动。从构造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，沟区导带中的电子那么可逃过PN结的势垒进入到P区

16、一侧。于是在PN结旁边稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子及空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长确定于材料的禁带宽度，即 2, 应用发光二极管时留意哪些要点？答：开启电压： 发光二极管的电特性和温度特性都及一般的硅, 锗二极管类似。只是正向开启电压一般都比一般的硅, 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展组合运用时，应留意到二者的温度特性是相反的。温度上升时，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。所以运用时，应把二者放到一起考虑，留意其组合后的整体温度特性。方向特性：发光二极管

17、一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应留意到这一构造上的特点。发光管及受光管二者对得不准时，效果会变得很差。3, 激光的产生有哪些条件？答：须要泵源,把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去。介质必需能发生粒子数反转,使受激辐射足以克制损耗。必须要有一个共振腔供应正反应及增益,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结进展正偏置。正向电流到达肯定程度时，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局部发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总会有一局部光

18、是沿着谐振腔腔轴方向传播的，来回于半导体之间。通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子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，从谐振腔两端放射出激光。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接着下去，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？运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。采纳脉冲驱动的状况下，获得很高的亮度，但应考虑到脉冲宽度, 占空度比及响应时间的关系。半导体激光器

19、：响应时间很短。半导体激光器的阈值电流都比拟高，由于激光器工作时须要的电流很大，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 器件及光敏 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及晶体管的电流放大倍数的区分？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，从放射区放射过来的电子是及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

20、是发光二极管的发光效率, 光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数。一般光激发效率比拟低，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随意选择。绝缘电阻高达10101012，击穿电压高达10025KV，耦合电容小到零点几皮法。信号传输是单向性的，不管脉冲, 直流都可以运用。适用于模拟信号和数字信号。具有抗干扰和噪声的实力。它作为继电器和变压器运用时，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。响应速度快。一般可达微秒数

21、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。运用便利，具有一般固体器件的牢靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，本钱低，工作温度范围在 55100之间。三, 分析题光电耦合器件测试电路如下图，分析它的工作原理。S1开关接通后：S2开关没有接通，正常状况下LED是不发光的。假如它是发光的，那么说明光电耦合器的接收端已经短路。S2开关接通，正常状况下LED发光，它的发光强度可以用电位器RP来调整。假如LED没有发光，那么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

22、应具有三种根本功能光电变换光电信号存储扫描输出。3, 辨别率是用来表示能够辨别图像中明暗细微环节的实力。辨别率常用两种方式来描述极限辨别率和调制传递函数。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，不是马上的和全部的，而是有一个过程。在肯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，但总有一小局部电荷某种缘由留在该电极下，假设被留下来的电荷为Q(t)，那么转移效率定义为转移的电量及原电量之比，即 2, 转移损失率：电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是马上的和全部的，而是有一个过程。在肯定的时钟脉冲驱动下，设

23、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，但总有一小局部电荷某种缘由留在该电极下，假设被留下来的电荷为Q(t)，那么转移损失率定义为残留于原势阱中的电量及原电量之比，即 二, 简答题1, 为什么CCD必需在动态下工作？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外表势阱的变更来储存和转移信息电荷的，所以它必需工作于非热平衡态。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，电荷包来不及完全转移，势阱形态就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必定多，损耗率就必定大。因此，运用时，对时种频率的上,

24、下限要有一个大致的估计。为了防止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必需小于少数载流子的平均寿命。当时钟频率过高时，假设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更，转移效率大大下降。 f上确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

25、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在栅极电压的限制下仍为导通状态。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，下降的程度那么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, 变像管还是像增加管取决于阴极材料。假如对红外或紫外光线敏感，那么它就是变像管；假如它只对微弱的可见光敏感，那么它就是像增加管。2, 变像管和像增加管都具有图像增加的作用，实现图像增加一般有两种方法：增加电子图像密度和增加增加电子的动能。3, 增加电子图像密度，一般利用二次电子放射来实现； 增加电子动能，用增加增加电场或磁场的的

26、方法。二, 简答题1, 变像管？像增加管？像管和摄像管的区分？答：变象管是指能够把不行见光图象变为可见光图象的真空光电管。图象增加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管。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亮光电阴极上形成目标的像，引起光电放射。阴极面每一点放射的电子数密度正比于该点的辐射照度。这样，光阴极将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，合理的支配阳极的位置和形态，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。它还使光电阴极放射出来的光电子图象，在保持相对分布不变的状况下

27、进展加速。荧光屏在肯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, 硅光电二极管2DU2的灵敏度SiA/W，结间漏置电导S，转折点电压UM=13V，入射光功率从min=15W变到max=35W，供电偏电压为Ub=55V。求：取得最大线性输出电压下最正确负载RL。输出电压U。(3)输出电流I。解：2, 硅光电池2CR32的受光面积为510mm2，在室温30，人射光照度为1000W/m2的条件下，UOC=0.55V，ISC=1210-3A。求能在200700 W/m2照度范围内， 求：取得最大线性输出电压下最正确负载RL。输出电压U 。输出电流I。解： 3

28、, 光敏电阻R及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U120mV，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假设光敏电阻的光电导灵敏度Sg6106S/lx,求光敏电阻所受的照度。解：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值的计算光敏电阻所受的照度4, CdS光敏电阻的最大功耗为40mW,光电导灵敏度Sg10-6S/lx暗电导g00，假设给其加偏置电压20V，此时入射到光敏电阻上的极限照度为多少？解：负载电阻为0时，光敏电阻流过的电流为最大。习题15设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消退光源的不稳定性因素的影响。 绘出工作原理图。

29、绘出原理框图。说明工作原理。答：工作原理图原理框图说明工作原理：在装上被测样品4之前，光屏处于最大汲取位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。当插入被测样品之后，测量通道的光通量削减。此时假设移动光屏变更透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的汲取值，这就可以使二个通道重新到达平衡。光屏的移动由及之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。习题16设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理。答：半导体激光器作辐射源A，假设在激光器供电电路中外加谐波电压U0就能得到接近正弦的辐射光波

30、，其初始相位和激励电压U0一样。在B点设置一个反射器即协作靶，使从测距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波来回一次的相位变更进展测量。相位测量技术只能测量出缺乏2的相位尾数，即只能确定余数m，因此当L大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于LS时，即m=0时，可确定距离为：习题171, 光学目标 是什么？答：不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是及背景间有肯定光学反差的几何形体或图形景物。2, 简述黑白激光打印机的工作过程。打印机接收到计算机吩咐和打印数据后如要求打印字母“B，在打印限制器或PC处理器的作用下将待打印文本/图形转换为光栅位图数据，同时生成限

31、制激光扫描器动作的脉冲电信号。在脉冲电信号的限制下，激光扫描器向感光鼓外表的指定位置放射激光，激光束定位工作由放射棱镜的转动来协助完成。感光鼓外表受到照耀的区域，因光敏材料电阻发生变更，导致原有的正电荷消逝。这样，感光鼓外表剩下的正电荷就会形成“文字潜影。在转动过程中，碳粉盒的墨粉被吸附到电荷潜影区域。因墨粉带有负电，在静电吸引力下就会被附着在感光鼓的潜影区域，形成墨粉构成的影像。送纸机构将打印纸送入，在这个过程中打印纸会带上很强的正电荷。打印纸及感光鼓墨粉影像区域接触后，墨粉会在更强的静电作用力下转移到纸张上面，形成打印影像。之后，感光鼓接着转动，外表剩余墨粉会被一个清洁器去除干净。当感光鼓转动一个周期之后，又会进入到下一个打印循环中去。热转印单元加热纸张，墨粉被熔化永久性固定，完成一个扫描行的打印。由于工作时感光鼓不断转动, 墨粉连续被吸附, 纸张持续被送入，最终完成整幅图像的打印工作。