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光电子技术参 考答案 第三章 1.一纵向运用的 KD*P电光调制 器，长为 2cm，折射率 n=2.5，工作频 率为 1000kHz。 试求此 时光在晶体中的渡 越时间及引起的相 位延迟。 解：渡越时间为： L nL = 2.5 2 10- = c 2 m =1.67 10-10s = d c / n 3 10 m / s 8 在本题中光在晶体 中的渡越引起的相 位延迟量为： w = 2p 10 6Hz 1.67 10- 10 =1.05 10- 3 L=0.85cm=8.5mm， 比 L大 一 个 数 量 级。 可 见， 此 扫 描 器 只 能 产 生 正 常 布 喇 格 衍 射。 0 p L 2 L Qh = sin M P =1 , l M P =1， 2 s 2 s 2l 2 s H H Ps = l 2 H = (0.5 10- 6 ) 2 0.5 = (0.5) 3 10- 12 2LM 2 2 8.5 37.75 10- 15 2 8.5 0.3775 10- 13 = 0.195W （注： （3- 53） 式 中 的 角 度 因 子 在 实 际 工 作 中 不 起 作 用， 取 值 为 1就 可 以 了） l 1 l =1 (2 -59) Q sinq = 2nls = B 2n ls 2 1 l 2n ls 1 1 l sinq q = , cosq 1- B 1 B B 2 2n l s 若布喇格带宽Df=125MHz，由（3-55）式知道实际 的声束宽度 Df = L = s lL 2nv ls , L = s l Df 2nv ls = s l Df fs l Df fs 2nv vs = 2nvs 2 ， 2nvs 2 2 2.48 3.99 2 10 1.5 10 s m s- 6 2 2 l Df fs = 0.5 10-6m 1.25 10 8 8 -2 2 2.48 3.99 0.5 1.25 1.5 2 10-4 = m 84.2 10 m 8.42mm = -4 = 对扫描器而言，总是希望扫描光束的强度最大， 即要求衍射效率 最大。下面的讨论应该在 该基础上讨论。（3-46）和（3-55）式是在衍射效 率很小的条件下给出的关系式，在扫描器中应该 不成立。 由衍射效率 公式和带宽 f公式知道，声束 的宽度增加对提高衍射效率有利，对减少带宽有 利。L的改变对衍射效率的改变为（在其他条件不变 的情况下） p L , dh b Qh = sin s M P = sin b L = sin 2b L 2 2 s dL 2l H 2 s 2 L b L 2L p L p L M Ps 1 DL 2L Dh = sin 2b L DL = sin 2 M P s 2l 2 s 2l 2 H H 如果该扫描器原设计在衍射效率 =1的状态下工 作，即 p L M P = p 2 2l H 2 s 则=0，即 L的改变对衍射效率不产生影 响。 N = Dq = w Dfs 计算，取 R=1或 R=2均可。 Dj vs R 用公式 D w fs 8.5 10-3m 1.25 108 1 3 1 3.99 10 ms- s- 8.5 1.25 10 2 = 266 3.99 N = = = vs R 4.1比较光子探测器和光热探测器在作用机理、 性能及应用特点等方面的差异。 答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电 子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收 光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改 变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态 改变的大小。因为，光子能量是 h，h是普朗克常 数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频 率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情 况下，其响应速度一般比较快。 光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光 辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的 改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量， 引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探 测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量 的大小没有直接关 系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收 率高，光热效应也 就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作 用，所以光热效应的 响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后 将要介绍一种所谓 热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得 多，并已获得日益广 泛的应用。 4.4已知 Si光电池光敏面积为 510mm ,在 1000W/m光照下，开路 电压 u =0.55V，光电 2 2 流 i =12mA。试求: （1）在（200 700）W/m光照下,保证线性电压输出的负载电阻和电压变 化值; 2 （2）如果取反偏压 V = 0.3 V ,求负载电阻和电压变化值; （3）如果希望输出电压变化量为 0.5V，怎么办？ i u （说明：本教科书光电子技术给出的参考答案是基于其他教科书的理 论给出的结果，只能参 考而已。从实际应用的角度看，以下的计算结果与教科书的结果基本一 致。） 解： （1）不同的光照强度下，光电池的开路电压有变化，由（4 -115）式得 到开路电压变化值： p = 200W / m 2 , uoc = uoc + 2.6 10- 2 ln(P/ P) uoc = uoc + 2.6 10- 2 ln(200/1000) 0.55 2.6 10-2 ln(0.2) 0.51V = + = p = 700W / m 2 uoc = uoc + 2.6 10- 2 = + = ln(700/1000) 0.55 2.6 10-2 ln(0.7) 0.54V 从计算结果看，由于不同光照强度引起的光电池开路电压的变化很小 （不到十分之一），在 实际问题中可以忽略这个差异。 由（4 -100）式得到光电流与输入光功率的关系 eh ij = hn P = kP 在光 电池 效率 不变 的条 件 下， 不同 光照 条件 下的 光电 流与 光功 率成 正比 （k 是常 数）， 所 以： ij = P P ， ij = ij P ij P P p = 200W / m p = 700W / m 2 2 , i = ij P =12mA 200 = 2.4mA j 1000 P , i = ij P =12mA 700 = 8.4mA j 1000 根据 P140 页关 于“保 证光 电池 线性 工作 的负 载电 阻 R的 选取 原 则”的 分析 和讨 论， 为保 证线 性 L 电压 输 出， 负载 电阻 应该 用 （4 -123） 式确 定。 uoc ij = 0.6 0.51V =127.5W 2.4mA p = 200W / m p = 700W / m 2 2 , R 0.6 L1 uoc ij = 0.6 0.54V = 38.6W 8.4mA , R 0.6 L2 根据 R的 选取 原则 的分 析知 道， 为了 满足 在 （200 700）W/m L 2 条件 下都 满足 线性 关 系， 负载 电 阻应 该是 R = min(R ,R ) = 38.6W L L1 L2 在忽 略 PN结 漏电 流 i和 二极 管电 流 i的 条件 下，i=i， 所以 输出 电压 的变 化值 是 sh D Du = (8.4 2.4)mA RL 6 10- 3A 38.6W = 0.232V - = （2 ）在 光电 池的 应用 中， 经常 需要 引入 反向 偏 压， 这样 可以 增加 输出 电压 的变 化范 围。 如果 取 反偏 压 V = 0.3 V， 负载 电阻 和电 压变 化值 为： p = 200W / m p = 700W / m 2 , R 0.6 uoc +0.3 = 0.6 0.51V +0.3V = 205.5W L1 ij 2.4mA , R 0.6 uoc +0.3 = 0.6 0.54V +0.3V = 60W 2 L2 ij 8.4mA 和上 面的 讨论 一 样， 为了 满足 在 （200 700）W/m 2 条件 下都 满足 线性 关 系， 负载 电阻 应该 是 60 ， 在忽 略 PN结 漏电 流 i和 二极 管电 流 i的 条件 下，i=i， 所以 输出 电压 的变 化值 是 sh D Du = (8.4 2.4)mA RL 6 10- 3A 60 = W = 0.36V - （3） 如果 希望 在 （200 700）W/m 2 光照 下， 输出 电压 变化 量为 0.5V， 如果 不考 虑线 性问 题。 从表 面上 看， 我们 可以 加大 负载 电阻 增加 输出 电压 变化 量： 0.5V (8.4 - 2.4)mA 0.5V 10 3 = 83.3W 6A R = L = 但是 此时 83.3W 8.4mA = 0.70V 0.54V 这超出了该光电池的开路电压，该方案不现实。合理的做法是用两个光电池 串联，实现电压的倍 增，如 P141页图 4-26（b）所示。 另一个方案是引入反向偏压，具体讨论和计算参见（2）。例如：取反偏 压 V = 0.8 V，负载电 阻和电压变化值为： p = 200W / m p = 700W / m 2 , R 0.6 uoc +0.5V = 0.6 0.51+0.8V = 327.5W L1 ij 2.4mA , R 0.6 uoc +0.5V = 0.6 0.54V+0.8V = 95.7W 2 L2 ij