南理工光电检测技术课程课件题目.docx
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1、R=11980依) R = 100KT2暗亮1 1:G=0.08pSG=10pS暗/?亮R暗亮:G =G -G =9.92(jS光亮暗又,.S =光一=6 10-6 S 1?(g E9 92x10-6 S , 1.65lx6 xlO-6 S lx4、已知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW,光电导灵敏度S =0.5X 10/仅暗电导g =0,若给其加偏置电压20V,此 go时入射到光敏电阻上的极限照度为多少?解:负载电阻为。时,光敏电阻流过的电流为最大。g = 0 p = 4 OmW U =2 0V 0max:工=J= 4 0x10-3 =2 xl0.3(A)=2mAPmax U2 0U20:R
2、= 10x103 2 = 10KC2Pmin I2 X10-3Pmax1:G = 10-4S = 0 . ImSPmax R Pmin5. S Pmaxg E max G10-4:E = = 2 0 0 lxmax S 0.5 Xl 0-6 g习题15设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置,要求消除光源的不稳定性因素的影响。 绘出工作原理图。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,光屏处于最大吸收位置,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,测量通道的光通量减少。此时若挪移光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样 品的
3、吸收值,这就可以使二个通道重新达到平衡。光屏的挪移由与之相连的指针机构9显示,指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。这样,光屏或者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,若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,其初始相位和 激励电压U0相同。设辐射光波的调制频率为则波长为、c c入=.T =n n. f光波从4点传播到B点的相移Q可表示为:Q=2几 m+献=2 几+强?| = 2 几(m+编 m)(2几)m- 01.2,.若光波从A点传播到8点所用时间为七则
4、4和8之间的距离L为Z.J f=C Q 二 C Q(巾 + 编曲n n2 几f n. f 2 几在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 光波往返一次的相位变化进行测量。2L=入.(m +编m)亭 L =.(m + 编 m)= L (m + 编 m)相位测量技术只能测量出不足2TT的相位尾数(/),即只能确定余数Am ,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,即时,可确定距离为:L = A(m +编m)= L fem)=2ss( 271 )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
5、做是与背景间有一定光学反差的儿何形体或者图形景物。2、简述黑白激光打印机的工作过程。打印机接收到计算机命令和打印数据后(如要求打印字母“ B”),在打印控制器或者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,同时生成控制激光扫描器动作的脉冲电信号。在脉冲电信号的控制下,激光扫描器向感光鼓表面的指定位置发射激光,激光束定位工作由发射棱镜的转动来辅 助完成。感光鼓表面受到照射的区域,因光敏材料电阻发生变化,导致原有的正电荷消失。这样,感光鼓表面剩下 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
6、,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。打印纸与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,感光鼓继续转动,表面残存墨粉会被一个清洁器 清除干净。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,最终完成整幅图象的打印工作。1、禁带、导带、价带:禁带:晶体中允许被电子占领的能带称为允许带,允许带之间的范围是不允许电子占领的,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。
7、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n p n p =n Xn n n p =n n n n = p条件的注入称为弱光注入。 n n no nO /x / nO n n4、非平衡载流子寿命T :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者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
8、导带容易得多。因此虽然惟独少量杂质,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Sv)至少要等于材料的禁带宽度。即入1.24四、计算题1、本征半导体材料Ge在297K下其禁带宽度=0.67(eV),现将其掺入杂质Hg,错掺入汞后其成为电离能=0.09(eV) gi的非本征半导体。试计算本征半导体Ge和非本征半导体错汞所制成的光电导探测器的截止波长。入=
9、二f4(向=L24(豌)=1.851 (pm)oi E0.67解:g入=J4qm)=l24Qm)=i3.778(M02 E0.09i2、某种光电材料的逸出功为lEv,试计算该材料的红限波长。(普朗克常数h = 6.626X 10-34(j.s),光速c = 2.998X 108(m/s),电子电量 e = 1.6X10-19库仑)解,入=。=就=l.24Qm)=l.24Qm)=i.24Qm)o B 901000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、或者导电率发生变化,或者产生光电动势等,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
10、列托夫定律。当入射光线的频谱成份不变时,光电阴极的饱和光电发射电流/K与被 阴极所吸收的光通量0 K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(或者灵敏度):光电探测器的输出电压1/或者输出电流/与入射光功率P之比。OO2、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
11、电阻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,普通在几毫秒以上。光电检测器件特点:响应波长有选择性,存在某一截止波长yo,超过此波长,器件没有响应。(y =10220hm)响应快,普通在纳秒到几百微秒。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
12、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采集起来,形成阳极光电流,在负载R 产生信号电压。2、光电倍增管的供电电路注意哪些问题?答:倍增管各电极要求直流供电,从阴极开始至各级的电压要挨次升高,常多采用电阻链分压办法供电。流过电 阻链的电流/至少要比阳极最大的平均电流/大10倍以上。Ram供电电源电压稳定性要求较高。为了不使阳极脉动电流引起极间电
13、压发生大的变化,常在最后几级的分压电阻上并联电容器。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2cm2,阴极灵敏度为25h A/lm ,倍增系统的放大倍数105,阳极额定 电流为20hA,求允许的最大照度。解:M =105i =20pA a1:i =-a- = 2 k MX10-4 LIA习题060.041X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, 光敏三极管处于截止状态,光敏三极管的集电极其高电平,即三极管基极其高电平,三极 管饱和导通,三极管的集电极其低电平,驱动继电器J工
14、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其低电平,即三极管基极其低电平,三极管截止, 三极管的集电极其高电平,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。光生电流PN+光生电压-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、热电探测器与光电探测器比较,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
15、部份光子的能量,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,光谱响应范围特殊宽,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,普通都很脆弱,容易破碎,使用时应避免振动。额定功率小,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
16、电流, 流过热电偶的电流普通在1微安以下,决不能超过100微安,于是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60o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一一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,加之电压后,正电荷平 均讲来总是趋向阴极,而负电荷趋向阳极。虽然其挪移距离很小,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
17、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,自发极化就蓦地消失, 这个温度称为居里温度(或者居里点)。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,其中部份电子 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
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