张永林教师版光电子技术.docx

1、张永林教师版光电子技术1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围别离是多少？ 波长：380780nm 400760nm 频率：385T790THz 400T750THz 能量：1.63.2eV1.2辐射气宇与光气宇的全然区别是什么？什么缘故量子流速度的计算公式中不能显现光气宇？ 为了定量分析光与物质彼此作用所产生的光电效应，分析光电灵敏器件的光电特性，和用光电灵敏器件进行光谱、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。辐射气宇与光气宇是光辐射的两种不同的气宇方式。全然区别在于：前者是物理（或客观）的计量方式，称为辐射气宇学计量方式或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行

2、物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方式，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判，超过那个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，因此量子流速度的计算公式中不能显现光气宇.光源在给定波长处，将+d范围内发射的辐射通量 de，除以该波长的光子能量h，就取得光源在处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速度。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。 =L*4R2=30*4*3.14*1.52=848.23

3、lx1.4一支氦-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。 假设激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。1.6从黑体辐射曲线图能够看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为2.89810-3mK。 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？有哪些调制的方式？它们有什么特点和应用？ 光辐射的调制

4、是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的进程。 光辐射的调制方式有内调制和外调制。 内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优势。但存在波长(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、偏振灵敏、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。假设在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

5、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？在石英晶体上应加如何的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅别离起着什么作用？ 当超声波在介质中传播时，将引发介质的弹性应变作时刻上和空间上的周期性的转变，而且致使介质的折射率也发生相应的转变。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这确实是声光效应。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，其结果犹如它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过那个光栅时就要产生衍射，这确实

6、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必然角度斜入射时发生的。2.4说明利用法拉第电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，操纵高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可操纵光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的转变而转变，从而实现光强调制。3.1热电探测器与光电探测器相较较，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，第一使接收物

7、质升温，由于温度的转变而造成同意物质的电学特性转变。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，能够在室温下工作。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发载流子浓度的增大，因此致使材料电导率的增大，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区两头产生电位差。P

8、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）有哪两种情形？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按时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系I=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

9、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。光谱特性决定于光电器件的材料。应尽可能使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱散布较接近。由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度和积分灵敏度。3.5什么缘故结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必需工作在哪一种偏置状态? 因为p-n结在外加正向偏压时，即便没有光照，电流也随着电压指数级在增加，因此有光照时，光电效应不明显。p-n结必需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，因此光照增加时，取得的光生电流就会明显增加。3

10、.6假设光电PN结在照度L1下开路电压为U ，求照度L2下的开路电压U 。3.7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方法？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。 方法：1.尽可能选择通带宽度小的2.尽可能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*=1011cmHz1/2W-1,探测器光敏器的直径为0.5cm，用于f=

11、5x103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？ 3.10应如何明白得热释电效应？热释电探测器什么缘故只能探测调制辐射？ 热电晶体的自发极化矢量随温度转变，从而使入射光可引发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刻的转变率，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 3.16试问图3.25和图3.26别离属于哪一种类型的偏置电路？什么缘故？当光照转变dL时，引发输出电压U0转变，别离写

12、出这两种电路dU0的表达式。3.17表达光电池的工作原理和开路电压、短路电流与光照度的关系。什么缘故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。若是光子能量超过半导体材料的禁带宽度，那么由半导体能带理论可知，在PN结周围会产生电子和空穴。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。于是在P区和N区之间产生了电势，成为光生电动势。若是用导线或电阻把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

13、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，故要减弱内电场的强度，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）3.20 2CR和2DR，2CU和2DU在结构上有何要紧区别？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，利历时环极不接是不是可用？什么缘故？ 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

14、电流和噪声。3.21说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN管的频率特性什么缘故比一般光电二极管好？ 工作原理：PIN管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区展开，耗尽层宽度大体上是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。优势：1，工作电压比较低，一样为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，靠得住性高；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

15、足以使在该强电场区产生和漂移的光生载流子取得充分的动能，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，别离向相反的方向运动，在运动进程中，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；PIN光电二极管因由较厚的i层，因此p-n结的内电场就大体上全集中于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，因此结电容

16、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，故能经受很高的电压，I层电场很强，对少数载流子漂移运动起加速作用，尽管渡越距离增大一些，但少数载流子的渡越时刻相对仍是短了。总之，由于结电容变小，载流子渡越耗尽层的时刻短，因此PIN管的特性好。3.23光电二极管2CU2E，其光电灵敏度S=0.5A/W，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，求取得最大功率时的负载电阻Rb和放大器的输入电阻R 的值，和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转变为 =（20+50sinwt）

17、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=0.6A/W，结电容Cj=3pF，散布电容C0=3pF。试计算：1.3.25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Ci=5pF，输入电阻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=1A/lx，继电器K的吸合电流为10mA，线圈电阻1.5k。要求光照大于200lx时继电器J吸合。3.27试述PSD的工作原理，与象限探测器相较，PSD有什么优势？ PSD是利用离子注入技术制成的一种对入射到

18、光敏面上的光点位置灵敏的光电器件，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。与象限探测器相较，PSD的优势有：对光斑的形状无严格要求；光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可进行持续测量，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，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量更多的二次电子，

19、入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次方倍。4）通过倍增后的二次电子由阳极P搜集起来，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？每一种的要紧特点是什么？ 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：极间电子渡越时刻的离散性小，时刻响应专门快，线性好：但绝缘支架可能积存电荷而阻碍电子光学系统的稳固性。 盒栅式：电子的搜集效率较高，均匀性和稳固性较好；但极间电子渡越时刻零散较大。 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，搜集率较低，渡越时刻离散较大。近贴栅网式：极好的均

20、匀性和脉冲线性，抗磁场阻碍能力强。微通道板式：尺寸大为缩小，电子渡越时刻很短，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，别离写出各部份名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。(b)假设该倍增管的阴极灵敏器Sk为20A/lm，阴极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为2cm2 ,各倍增极发射系数均相等（=4），光电子的搜集率为0.98，各倍增极电子搜集率为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：

21、Ik=Sk=2010-60.1210-4 =410-10A 倍增系统的放大倍数:M=0()11 =0.98(40.95)11 2.34106 阳极电流：Ip=MIk=936 A（c）3.31某光电倍增管的阳极光电灵敏度为10A/lm，什么缘故还要限制其阳极输出电流小于50100A范围内？问其阴极面上最大许诺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=20A/lm，倍增极有11级。假设各级的电子搜集效率为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，阴极灵敏度Sk为2

22、5A/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20A，求许诺的最大光照。4.1简述PbO视像管的大体结构和工作进程。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 一起作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位散布最后，通过电子束扫描把电 位图像读出，形成视频信号，4.2摄像器件的参量极限分辨率、调制传递函数和惰性是如何概念的？ 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：能客观地表示器件对不同空间

23、频率目标的传递能力。惰性：指输出信号的转变相关于光照度的转变有必然的滞后。缘故：靶面光电导张弛进程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、输出的大体原理。以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的大体原理。CCD的输出信号有什么特点？答：组成CCD的大体单元是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。若是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（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应转变，周围的P型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所

24、谓耗尽层，若是栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，那么在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，咱们能够形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，能够用来存储电子。当表面存在势阱时，若是有信号电子（电荷）来到势阱及其临近，它们即能够聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，咱们把那个进程描述为电子慢慢填充势阱。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转变，栅电压越大，势阱越深。若是没有外来的信号电荷。耗尽层及其临近区域在必然温度下产生的电子将慢慢填满势阱，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

25、的载流子。因此，电荷耦合器件必需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电荷转移的大体原理。三相CCD是由每三个栅为一组的距离紧密的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以下图所示。在t1时刻，1高电位，2、3低电位。现在1电极下的表面势最大，势阱最深。假设现在已有信号电荷（电子）注入，那么电荷就被存储在1电极下的势阱中。t2时刻，1、2为高电位，3为低电位，那么1、2下的两个势阱的空阱深度相同，但因1下面存储有电荷，那么1势阱的实际深度比2电极下面的势阱浅，1下面的电荷将向2下转移，直到两个势阱中具有

26、一样多的电荷。t3时刻，2仍为高电位，3仍为低电位，而1由高到低转变。现在1下的势阱慢慢变浅，使1下的剩余电荷继续向2下的势阱中转移。t4时刻，2为高电位，1、3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t1时刻的情形相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当通过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一名）。因此，时钟的周期转变，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作进程从成效上看类似于数字电路中的移位寄放器。 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最普

27、遍，。输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD和输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。电荷包的输出进程如下：VOG为必然值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使3与FD之间成立导电沟道。在3为高电位期间，电荷包存储在3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲R，使FD区与RD区沟通，因 VRD为正十几伏的直流偏置电压，那么 FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有必然的浮置电位。以后，3转变成低电位，3下面的电荷包通过OG下的沟道转移到

28、FD区。现在FD区（即A点）的电位转变量为：式中，QFD是信号电荷包的大小，C是与FD区有关的总电容（包括输出管T的输入电容、散布电容等）。 CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每一个电荷包的输出占有必然的时刻长度T。；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点，对CCD的输出信号进行处置时，较多地采纳了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。4.4 CCD驱动脉冲工作频率的上、下限受哪些条件限制，应该如何估算？4.5双列两相CCD驱动脉冲一、二、SH、RS起什么作用？它们之间的位相关系如何？什么缘故？ 一、2：驱动脉冲一、驱动脉冲2，将模拟寄放器中的信号

29、电荷定向转移到输出端形成序列脉冲输出。 SH：转移栅操纵光生电荷向CCDA或CCDB转移。RS：复位脉冲，使复位场效应管导通，将剩余信号电荷卸放掉，以保证新的信号电荷接收。4.7 TCD1200D的中心距为14m，它能分辨的最小间距是多少？它的极限分辨率如何计算？ 它能分辨的最小间距是14m。4.8简述变像管和图像增强器的大体工作原理，指出变像管和图像增强器的要紧区别。亮度很低的可见光图像或人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电子图像；电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子取得能量增强；荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。变像管：同意非可见辐射图像并转换成可见光图像的

30、直视型光电成像器件：红外变像管、紫外变像管和X射线变像管等，功能是完成图像的电磁波谱转换。像增强器：同意微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等，功能是完成图像的亮度增强。5.1光盘记录有什么优势？ 存储密度高。非接触式读/写信息（独特）。存储寿命长。信息的信噪比高。信息位价钱低。 存储密度高数据传输速度高存储寿命长信息位价低改换容易5.2光盘进展经历了哪几代？每一代的特点是什么？自美国ECD及IBM公式一起研制出第一片光盘以来，光盘经历了四代：只读存储光盘（read only memory，ROM） 这种光盘中的数据是在光盘生产

31、进程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。这种光盘制造工艺简单，本钱低，价钱廉价，其普及率和市场占有率最高。一次写入多次读出光盘（write once read many，WORM） 这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。可擦重写光盘（rewrite,RW） 用户除可在这种光盘上写入、读出信息外，还能够将已经记录在盘上的信息擦除掉，然后再写入新的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。直接重写光盘（overwrite，OW） 这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这种光盘可用同一束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。5.3说明ROM光盘的存储原理。 将事前记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声光调制器，使通过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，以后通过显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模,stamper），然后再通过“2P”注塑形成ROM光盘。5.4说明激光热致相变RW光盘的读、写、擦原理。近红外波段