张永林第二版《光电子技术》课后习题答案解析.docx

1、张永林第二版光电子技术课后习题答案解析1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少 ？波长：380780nm400760nm频率：385T790THz400T750THz能量：1.63.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么 ？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应 ，分析光电敏感器件的光电特性 ，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和 量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法 。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数 ，它适用于整个电磁辐射

2、谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见 的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 0.380.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任 何意义。而量子流是在整个电磁辐射 ，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量 光源在给定波长 泌，将入+d腕围内发射的辐射通量 de,除以该波长 泊勺光子能量h v,就得到光源在泌每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。1.3 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地 面的照度为30lx ,求出该灯的光通量。Q=L*4

3、TtRA2=30*4*3.14*1.5A2=848.23lx1.4 一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。该激光束的平面发散角 为1mrad,激光器的放电毛细管为 1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。光亮度。的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出 mT =常数式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为 2898 10-3m K。普朗克热辐射公式求一阶导数 ，令其等于0，即可求的。教材P82.1什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？光辐射的调制方法有内调制和外调制 。内调制：直接调制技术具有简单 、经济、容易实现等优点。但存在

4、波长（频率）的抖动。LD、LED外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集 成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调 制、磁光调制2.2说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理 。画出横向电光调制的装置图，说明其中各个器件的作用。若在KDP晶体上加调制电压 U=Um ，U在线性区内，请写出输出光 通量的表达式。Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应 。也称线性电光效应。光传播方向与电场施加的方向垂直 ，这种电光效应称为横向电光效应 。2.3说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理 。超声功率Ps的大小决定于什么

5、？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制 ？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？当超声波在介质中传播时 ，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变 化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化 。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍 射现象，这就是声光效应。声光介质在超声波的作用下 ，就变成了一个等效的相位光栅 ，当光通过有超声波作用 的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅 ，光栅间距等于声波波 长，光束通过这个光栅时就要产生衍射 ，这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较 高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的 。2.4说明利用法拉第电

6、磁旋光效应进行磁光强度调制的原理 。磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。法拉第效应：光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。电路磁场方向在 YIG棒轴向，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。3.1热电探测器与光电探测器相比较 ，在原理上有何区别？光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用而热电探测器是在光辐射作用下 ，首先使接收物质升温，由于温度的变化而造成接受物质的电学特性变化。光电探测器响应较快，噪声小；而热电探测器的光谱响应与波长无关 可以在

7、室温下工作。3.2光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应 。光电效应又分为外光电效应 （如光电发射效应）和内光电效应 （如光电导效应和光伏效应）。当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大 ，因而导致材料电导率的增大，这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。在自建场的作 用下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积 ，使P区、N区两端 产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。光电池、光电二极管、双光 电二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开

8、关管、光电雪崩二极管某些金属或半导体受到光照时 ，物质中的电子由于吸收了光子的能量 ，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应 ，又称外光电效应。光电倍增管，真空光电管、充气光电管。3.3光电器件的光电特性 （光照特性）有哪两种情况？每种特性的器件各自的用途是什么 ？当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系 l=F（）称为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系 I=F（L）称为光照特性。3.4什么是光电器件的光谱特性 ？ 了解它有何重要性？光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同 ，即产生的光电流不同。光电流或输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性 。光谱

9、特性决定于光电器件的材料 。应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近 。由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度 （响应率）一一光谱灵敏度和积分灵敏度 。3.5为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应 ？结型光电器件必须工作在哪种偏置状态？因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加 ，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下 ，有明显的光电效应产生 ，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和 ，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。3.6若光电PN结在照度L1下开路电压为 U ,求照度L2下的开路电压 U 。3.

10、7负电子亲和势光电阴极的能带结构如何 ？它有哪些特点？表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下 。特点：1.量子效率高2光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀 3热电子发射小4光电发射小，光电子能量集中1 一3.8何谓 白噪声”？何谓 噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施 ？f功率谱大小与频率无关的噪声 ，称白噪声。功率谱与f成反比，称1/f噪声。措施：1.尽量选择通带宽度小的 2尽量选择电阻值小的电阻 3降低电阻周围环境的温度3.9探测器的D*=1011cm Hz1/2 W1,探测器光敏器的直径为 0.5cm ,用于f=5x103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少 ？今竺3.10

11、应怎样理解热释电效应 ？热释电探测器为什么只能探测调制辐射 ？热电晶体的自发极化矢量随温度变化 ,从而使入射光可引起电容器电容改变的现象成为热释电效应。由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率 ，因此它只能探测调制辐射3.13 一块半导体样品，有光照时电阻为 50欧姆，无光照时电阻为 5000欧姆，求该样品的 光电导。G光=G亮-G暗=1/50-1/5000=0.0198 (s)该样品的光电导即为所求 。3.14用Cds光敏电阻控制继电器口灵敏度每=2*l（Ts/h,继电器线圈电阻 是4KQ,吸合电流是2mA,使继电器吸合所需的最小照度是多少？若 使继电濤在200lx时吸和，则需改变线圈电

12、阻，问此时继电器电阻最大 为多少？（弱光照射条件人（8分）CdS1）要使继电器吸合*光敏电阻上分配的电压7 = 12-4xlOJx2xlO-a =4伏/ 2x1由光敏电阻的光电流/ =S UL町得三 =_- =250LXs SU 2x 106 x42）耍使继电器在25W（时吸合，此时光敏电阻分配的电压为U -=SL=峯旷“2 x 106 x 200这时继电器分配的电压为12-5=7伏，从而继电器的电阻最大为(1)Ip=Ss-U*L 代入数值得2 103=(2 1胪)UL Uk= (2 IO3) - (4 103) =8V2 10今U=12-Uk=4V,带入式得* L = = 250/x240-

13、4(2) 爲=U L R=3500Q3.16试问图3.25和图3.26分别属于哪一种类型的偏置电路 ？为什么？当光照变化dL时,引起输出电压 U0变化，分别写出这两种电路 dUO的表达式。3.17叙述光电池的工作原理以及开路电压 、短路电流与光照度的关系 。为什么光电池的输出与所接的负载有关系？（1） 工作原理光电池是一个简单得 PN结。当光线照射PN结时，PN结将吸收入射光子。如果光子能量 超过半导体材料的禁带宽度 ，则由半导体能带理论可知 ，在PN结附近会产生电子和空 穴。在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使N区聚集大量的电子而带上负 电，在P区聚集大量的空穴而带上正电 。于是

14、在P区和N区之间产生了电势，成为光生电 动势。如果用导线或电阻把 N区和P区连接起来，回路中就会有光电流I流过，电流方向 是由P区流向N区。（6分）（2） 光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系 ，在照度光电池的短路电流与照 度成线性关系（4分）（3） 当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必然使外加电场增大，由于外电场 的方向是与内电场方向相反 ，故要削弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过 PN结，使对外输出的光电流减少 。（5分）U.在室温300K时，已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5mmX5mm）在辐照度为IDOmW/cm2时的开路电压为Uoc=550mVt短路电流I

15、sc=6mAe试求CD室温情况下，辐照度降低到50 mW/cm2时的开路电压Ux与短路电流ImsC2）当将该硅光电池安装在下图所示的偏置电路中时，若测得输出电压求此时光斂面上的辐照度。没辐照度变成50 时的输出开路电压分別为和则可知武中5为光电池的灵敏度.0和分在辐照度为50 mW/cii?和100 niW/cnr下光电池上接收到的辐通量-根捉题意把己知量代入】)武可知把密带入上式4得亠曲八=需：汙討一迥TC2) 由関可知放大器输入竭的输入阻抗乙”是光电池的负载电阻*可表示为ZJrt = -,其中A为放大器的开环放大倍数，Rf是反慣电F且*A + 由图中Nj-Rf 24A-f2+ A)05*则

16、乙乞0卫4门”认為光电池处:于短路工作状 输出电压 t/0 = IR = Rf -S式中* s为光电池的只械度，血为辐照度+由 m 或可得把口知量代入上式:可得 观= 0.694护/切尸3.20 2CR和2DR, 2CU和2DU在结构上有何主要区别 ？ 2DU光电二极管增设环极的目的 是什么？画出正确接法的线路图，使用时环极不接是否可用 ？为什么？硅光电池按基底材料不同分为 2CR和2DR 。2CR为N型单晶硅，2DR为P型单晶硅。 按衬底材料的不同，硅光电二极管分为 2CU和2DU两种系列。2DU光电二极管增设环极 的目的是为了减少暗电流和噪声 。3.21说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原

17、理和各自特点 。PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？工作原理：PIN管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区展开，耗尽层宽度基本上 是I区的宽度，光照到I层，激发光生电子空穴时，在内建电场和反向电场作用下 ，空穴向P区移动，电子向N区移动，形成光生电流，通过负载，在外电路形成电流。特点：频带 宽，线性输出范围宽。优点：1，工作电压比较低，一般为5V。2，探测灵敏度比较高； 3，内量子效率较高；4，响应速度快；5，可靠性高；6，PIN管能低噪声工作。工作原理：当光电二极管的 PN结上加相当大的反向偏压时 ，在耗尽层内将产生一个 很高的电场，它足以使在该强电场区产生和漂移的光生载流子获得充分

18、的动能 ，电子空穴与晶格原子碰撞，将产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下 ，分别向相反的方向运动，在运动过程中，又可能与原子碰撞，再一次产生新的电子空穴对 。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。特性：灵敏度高，响应速度快；答：PIN光电二极管在参杂浓度很高的P里半导体和N型半导体间夹着一 层较厚的本征半导休E又由于工作在反偏状态，随石反偏电爪的增大 结电容变得更小，从而提髙了 PIN光电二极管的频率响应.PIN光电二极管因由较厚的i层，因此p-n结的内电场就基本上全集中于 i层中，使p-n结的结间距离拉大，结电容变小，由于工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电容变的更 小，从而提高了

19、p-n光电二极管的频率响应由于PIN管耗尽层变宽，这就相当于增大了结电容之间的距离 ，使结电容变小，而且耗尽层的厚度随反向电压的增加而加宽 ，因而结电容随着外加反向偏压的增大而变得更小。同时，由于I层的电阻率很高，故能承受很高的电压，I层电场很强，对少数载流子漂 移运动起加速作用，虽然渡越距离增大一些，但少数载流子的渡越时间相对还是短了 。总之，由于结电容变小，载流子渡越耗尽层的时间短 ，因此PIN管的特性好。3.23光电二极管 2CU2E,其光电灵敏度 S=0.5叭1敝,拐点电压U =10V ,输入辐射功率 =(5+3sin t)W,偏置电压Ub=40V ,信号由放大器接收，求取得最大功率时

20、的负载电阻Rb和放大器的输入电阻 R的值，以及输入给放大器的电流、电压和功率值。3.24图3.97中，用2CU型光电二极管接收辐射通量变化为 =(20+50sinwt )W的光信号，其工作偏压 Ub=30V ,拐点电压 Um=10V ,且Rb=RL。2CU的参数是：光电灵敏度S=0.6叭I W,结电容 Cj=3pF ,分布电容 C0=3pF。试计算：1.Ci=5pF，输3.25用光电三极管3DU12探测交变信号。结电容Cj=8pF ,放大器的输入电容 入电阻r=10k计算变换电路中频时的输出电压 U0上限频率f3.26设计光控继电器开关电路 。已知条件：光电晶体管3DU15的S=1小/lx ,

21、继电器K的吸合电流为10mA ,线圈电阻1.5k Qo要求光照大于 200lx时继电器J吸合。3.27试述PSD的工作原理，与象限探测器相比，PSD有什么优点？PSD是利用离子注入技术制成的一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件 ，分为一维和二维两种。当入射光是非均匀的或是一个光斑时 ，其输出与光的能量中心有关。与象限探测器相比，PSD的优点有：对光斑的形状无严格要求；光敏面上无象限分隔 线，对光斑位置可进行连续测量，位置分辨率高，可同时检测位置和光强。3.28光电发射和二次电子发射有哪些不同 ？简述光电倍增管的工作原理 。光电发射是光轰击材料使电子逸出 ，二次电子发射是电子轰击材料 ，

22、使新的电子逸出。1） 光子透过入射窗口入射在光电阴极 K上。2） 光电阴极电子受光子激发 ，离开表面发射到真空中。3） 光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极 D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子 ，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大 N次方倍。4） 经过倍增后的二次电子由阳极 P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信 号电压3.29光电倍增管中的倍增极有哪几种结构 ？每一种的主要特点是什么 ？鼠笼式：结构紧凑，体积小；但灵敏度的均匀性稍差。直线聚焦式：极间电子渡越时间的离散性小 ，时间响应很快，线性好：但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性 。

23、盒栅式：电子的收集效率较高 ，均匀性和稳定性较好 ；但极间电子渡越时间零散较百叶窗式：工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管 ；但极间电压高，有时电子可能越级穿过，从而，收集率较低，渡越时间离散较大。近贴栅网式：极好的均匀性和脉冲线性，抗磁场影响能力强。微通道板式：尺寸大为缩小，电子渡越时间很短 ，响应速度极快，抗磁场干扰能力 强，线性好。3.30 (a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理 ，分别写出各部分名称及标出 Ik，Ip和lb的方向。(b)若该倍增管的阴极灵敏器 Sk为20 pA/lm ,阴极入射的照度为 o.llx ,阴极有效面

24、积 为2cm2，各倍增极发射系数均相等 (卢4 ),光电子的收集率为 0.98 ,各倍增极电子收集 率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳极电流 。 (c)设计前置放大电路，使输出的信号电压为 200mV,求放大器的有关参数，并画出原理 图(a)如图(b)阴极电流：lk=Sk =20 10-6 0.1 2 10-4=4 10-10A倍增系统的放大倍数：M=迥=D (T J1Ik=0.98 (4 0.95)11:2.34 106阳极电流：lp=M Ik=936 pAVo*(c )3rhii E-ZHVo7EVo RfVoRlRf-Vo=一o Vo (- lp)RL rl200 mv 一 c二

25、 Rf-214936 ACf 计LRRllpRf3.31某光电倍增管的阳极光电灵敏度为10A/lm，为什么还要限制其阳极输出电流小于50100 pA范围内？问其阴极面上最大允许的光通量为多少流明 ？因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化3.32某GDB的阳极积分灵敏度为 10A/lm , Sk=20 pA/lm，倍增极有11级。若各级的电子收集效率为1，问各倍增极的平均倍增系数为多少 ？3.33现有GDB-423型光电倍增管的光电阴极面积为 2cm 2，阴极灵敏度Sk为25小/lm ,倍增系统的放大倍数为 105，阳极额定电流为20宀,求允许的最大光照。解:电流増益hs1也是电压的函数.

26、M二0二一=一代入 VL Sk,可得 SA=25A/lm4.1简述PbO视像管的基本结构和工作过程答：基木结构対光电靶和电子枪。基木功能；光电变换、光电信号存储、 扫描输出.1） 光电靶的一侧为光敏层。由三层很薄的半导体材料组成。FhO靶具 有F1N光电二极管的结构。可以完成内光电数应。2） 丄.作时，光电二极管结构处于反向偏压状态。图像便得光电靶上餐点照度不同，在光电二极管内产生不同数量的电子-空穴对*在反 向电场的作用下到达靶的两侧，便得紀扫描而上的电位升咼，形成 与图像明暗对应的正点位图像，这就是图像的存储“（3） 圏像信号的扫描输出有电子枪发射打描电子束来丸成。像素（光电 二极管结构）

27、的光电流由P到N,流过负载，产生负极性图像电爪 信号 信号阅读人同时扫描电子束使P层扫描而降至阴极电位（图 像信号擦山九光学图像投射到光电阴极上 ，产生相应的光电子发射 ，在加速电场和聚焦线圈所产生的磁场共同作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位分布最后 ，通过电子束扫描把电 位图像读出，形成视频信号，4.2摄像器件的参量一一极限分辨率、调制传递函数和惰性是如何定义的 ？分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力 。极限分辨率和调制传递函数 （MTF）极限分辨率：人眼能分辨的最细条数 。用在图像（光栅）范围内所能分辨的等宽度黑 白线条数表示。也用线对/mm表示。MTF :能客观地表示器件

28、对不同空间频率目标的传递能力调制度M:A _ A Amax + min JA)调制传递函数MTF: MTF = x00%。原因：靶面光电导张弛过程惰性：指输出信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后和电容电荷释放惰性4.3以双列两相表面沟道 CCD为例，简述CCD电荷产生、存储、转移、输出的基本原理。以表面沟道 CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信 号有什么特点？答：构成CCD的基本单元是 MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。正如其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是 P型硅，当在金属电极（称为 栅）上加一个正的阶梯电压时 （衬

29、底接地），Si-SiO2界面处的电势 （称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子一一空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果 栅电压Vg超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态 ，由于电子 在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱 ，可以用来存储 电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集 在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子 ，取决于势阱的 深浅”，即表面势的大小而表面势又随栅电压变化 ，栅电压越大，势阱越深。如果

30、没有外来的信号电荷 。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱 ，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子 。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽 状态，才能存储电荷。以典型的三相 CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一 组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上 ，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下图所示 。在ti时刻，高电位，02、机低电位。此 时 如电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷 （电子）注入，则电荷就被存储在 如电极下的势阱中。t2时刻，、$2为高电位，$3为低电位，贝U如、$2下的两个 势阱的空阱深度相同，但因X下面存储有电荷，则 如势阱的实际深度比 馭电极下面的势阱浅下面的电荷将向 馭下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷 。t3时刻，$2仍为 高电位，锐仍为低电位，而奶由高到低转变。此时如下的势阱逐渐变浅，使如下的剩余 电荷继续向$2下的势阱中转移。t4时刻，0 2为高电位，山、锐为低电位，$2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到 $2下面的势阱中，这与ti时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期 T后，电荷包将向右转移三个电极位置 ，即一个栅周期（也称一位