光电检测技术样本.doc

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 习题一1、 光电检测系统是由哪几部分组成的? 各部分的作用是什么? 4、 简答半导体材料的特性。半导体对光的吸收形式有; 本征吸收、 杂质吸收、 自由载流子、 激子吸收、 晶格吸收其中本征吸收最强。、 温度特性、 掺杂特性、 受热、 光、 电磁场的影响。 5.绝缘体、 半导体、 导体的能带图有何区别?禁带宽度不同, 绝缘体太大, 导体价带导带重合, 只有半导体禁带宽度适合电子跃迁6、 什么是N型半导体? 、 硅晶体中掺入五族元素, 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子, 同时向导带提供电子, 使半导体成为电子导电的n型半导

2、体。2、 光电检测技术特点高精度: 从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度: 光速是最快的。远距离、 大量程: 遥控、 遥测和遥感。非接触式检测: 不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长: 光电检测中一般无机械运动部分, 故测量装置寿命长, 工作可靠、 准确度高, 对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化: 强的信息处理、 运算和控制能力。习题二1、 光电效应是如何分类的? 1、 光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。一、 在光线作用下, 物体内的电子逸出物体表面, 向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。二、 内光电效应按其工作原理可分为: 光电导效应和光生伏特

3、效应。1.光电导效应 在光照射下, 半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态, 从而引起材料载流子浓度增加, 使电阻率变化, 这种现象称为光电导效应。2.光生伏特效应 在光照射下, 能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。2、 光电发射效应的规律有哪些? 2、 斯托列夫定律、 爱因斯坦定律、 光电发射的红限、 光电发射的瞬时性。3、 有关响应方面的参数有哪些? 响应度也称灵敏度, 输出比输入, 光谱响应度, 单色光的输出, 积分响应度是连续辐射的反应程度, 响应时间, 频率响应。 4. 光电检测器件的噪声有哪些? 热噪声、 散粒噪声、 产生一复合噪声、 1/f噪声。 8、

4、 简答光敏电阻的工作原理。光敏电阻是入射光子使电子由价带跃迁到导带时, 导带中的电子和价带中的空穴均参与导电而阻值减小, 电导增大。 9、 光敏电阻有哪些特性? 增益、 灵敏度、 光电特性、 伏安特性、 温度特性、 时间频率特性、 噪声。 10、 简答光电池的工作原理。硅光电池是以硅作为基体材料利用光生伏特效应来完成光电转换, PN结受光照射时, 就会在结区产生电子空穴对。受内建电场的作用, 空穴顺着电场运动, 电子逆着电场运动, 最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势, 如果有外接负载, 将有电流流过负载。11、 简述光敏二极管的光电流是怎样形成的? 光照射光敏二极管表面时,

5、不同波长的光( 蓝光、 红光、 红外光) 在光敏二极管不同区域被吸收, 在表面P型层因光照产生少数载流子, 在空间电荷场的作用下拉向N区, 波长较长的光波透过P型层到达空间电荷区, 激发的电子一空穴对分别拉向N区和P区, 波长更长的红光、 红外光透过P区和空间电荷区, 在N区被吸收产生少数载流子被结电场拉向P区, 总的光生电流即由这三部分电流形成的。12、 简答雪崩光敏二极管的工作原理。当光敏二级管中的PN结上加相当大的反向偏压时, 在结区产生一高电场, 进入该场区的光生载流子获得足够的能量发生碰撞, 经过碰撞使晶格原子电离而产生新的电子一空穴对, 只要电场足够强这种过程将会重复进行, 而使光

6、生载流子达到雪崩的状态。13、 光电器件的特性有哪些? 灵敏度高、 动态特性好、 光电特性好、 响应快, 光谱特性好。5、 光电倍曾管的工作原理: 光照射到光电阴极上, 光电阴极激发出的光电子在电场的加速作用下, 打到第一倍增极上, 由于光电子能量很大, 在倍增极上被激发出若干二次电子, 这些电子在电场作用下, 又打到第二倍增极上, 引起二次电子发射, 逐级发射直到阳极收集为止, 若一次倍增极电子数增加倍, 有n个倍增极, 则阳极收集的电子数就是原来的n倍。 6、 光电倍增管的组成: 1光窗 光窗是入射光的通道, 是对光吸收较多的部分。决定光谱短波限。2光电阴极 它的作用是接收入射光, 向外发

7、射光电子。决定光电管长波限。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3电子光学系统 前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上, 使下一级的收集率接近于14阳极 阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现在普遍采用金属网来作阳极, 使它置于靠近于最末一级倍增极附近。5倍增系统 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体, 每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的, 具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。 习题三1、 简答热电检测器件的特点。 3、 简答热电偶的类型 。 4、 简答热敏电阻的工作原理。5、 热敏电阻有哪些特点? 6、 热敏电阻有哪些类型? 7、 热释

8、电探测器有哪些优点? 8、 简答热释电探测器的原理。1、 ( 1) 从光谱响应看, 热电检测器件属于无选择器件, 室温下不需致冷, 应用上不同于光电器件。( 2) 热电检测器件将辐射能转换为热能, 这是每个器件都要经历的阶段, 属于热电检测器件的共性。( 3) 将热能转换为电能随每个器件的结构原理不同而存在差异, 属于热电检测器件的个性。3、 热电偶分为标准化与非标准化两大类, 热电极材料有金属、 非金属和半导体几大类。金属中又有廉价金属、 贵金属和难熔金属等。常见的热电偶材料有: 康铜、 Cu、 Fe、 W、 NiCr、 NiAl、 Ni、 Pt、 PtRh、 Ag等。 4、 热敏电阻是吸收

9、辐射、 晶格振动使器件温度上升, 阻值发生变化。5、 电阻温度系数大, 约为金属电阻的10100倍, 灵敏度高; 结构简单, 体积小, 热惯性小, 能够用来测定点温度及变化温度。元件尺寸可做到直径为0.2mm, 能够测出一般温度计无法测量的空隙、 腔体、 内孔、 生物体血管等处的温度; 使用寿命长; 电阻率高, 适宜作动态测量。 利用半导体掺杂技术, 能够测量42100K之间的温度, 是一种重要的低温传感器。 使用方便, 电阻值可在0.1100kW之间任意选择。其不足之处是互换性差, 离散性严重。6、 热敏电阻主要有三种类型, 即正温度系数(PTC)热敏电阻和负温度系数(NTC)热敏电阻及在某

10、一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻器(CTR)。7、 1、 能够解决检测器件的矛盾( 1) 响应波长与探测率的矛盾: 热电器件宽波段响应, 光电类, 响应波长越长, 探测率越低。探测率与响应时间的矛盾; 热电器件探测率越高反应速度越慢, 光电类也有此矛盾。热释电检测器件的的响应时间取决于入射辐射的切割速度, 避免了以上矛盾。2、 热释电检测器件优点 很多材料具有热释电效应, 具有很好的检测特性。 8、 用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体, 使晶体温度升高, 晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频率f变化。 f1/时, 体内自由电荷来不及中和面束缚电荷的变化, 结果使晶体

11、在垂直Ps的两端面有开路交流电压, 接上负载, 即有电流流过, 产生交流信号电压。 习题四1、 简答光电成像器件的类型 2、 氧化铅视像管是如何工作的? 3、 视像管硅靶面是如何完成光电转换的? 4、 电荷耦合器件CCD是如何完成电荷储存的? 5、 简述CCD的电荷耦合过程。 6、 CMOS与CCD传感器有何区别? 12、 氧化铅靶在工作时, 其信号板上加有+40V左右的电压, 经过电子束对靶面扫描, 靶的扫描面电位被稳定在0伏。这样NIP异质结处于反向偏置。由于本征层的电阻率高, 因另外加的反向偏压主要是施加在本征层上, 当入射光子打倒靶上被本征层吸收, 产生光生载流子, 在电场作用下电子拉

12、向N区, 空穴被拉向P区, 结果在靶面上获得了与输入图象光照分布对应的电位分布。4、 CCD的基本单元是MOS光敏元, 在电极上加正电压, 在电场作用下P型区内空穴被排斥形成耗尽区, 对电子来说相当于一个势能很低的区域称作势阱, 如果有光束入射到光敏单元上, 其中光生电子被势阱收集, 光生空穴被排斥出耗尽区, 这样就完成了电荷的储存。3、 当有光学图像输入时, N型硅将吸收光子产生电子-空穴对, 它们将在电场作用下作漂移运动, 空穴经过PN结移到P岛, 空穴的漂移在一帧的周期内连续进行, 从而提高了P型岛的电位, 其电位升高的数值正比于该点的曝光量, 因此靶面的P型岛上形成了积累的电荷图像,

13、这时经过电子束扫描即可得到视频信号。6、 CCD摄像器件有光照灵敏度高、 噪声低、 像素面积小等优点。但CCD光敏单元为MOS阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成, 后续信号处理比较复杂; CCD阵列驱动脉冲复杂, 需要使用相对高的工作电压, 不能与深亚微米超大规模集成 ( VLSI) 技术兼容, 制造成本比较高。CMOS摄像器件光敏单元为光电二极管集成能力强、 体积小、 工作电压单一、 功耗低、 动态范围宽、 抗辐射和制造成本低等优点。当前CMOS单元像素的面积已与CCD相当, CMOS已能够达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度, 那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、 数码相机等产品中取代CCD器件。