光电检测作业题

1、光电检测考试题第一章 光电检测应用中的基础知识 1、分别解释光电导效应、光生伏特效应、光电发射效应。答：（1）光电导效应：当半导体材料受到光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，导致材料的电导率增大。（2）光生伏特效应：在PN结光伏器件中，当光投向P区时，在近表面层内激发出电子-空穴对，其中电子将扩散到PN结区并被结电场拉到N区，同时空穴将进入P区，若P层的厚度小于电子的扩散长度，光子也可能穿透P区到达N区，激发出电子-空穴对，这些光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边参生势垒。（3）光电发射效应：也称外光电效应，就是在光的作用下，物体内部的电子逸出物体表面向外表

2、发射的现象。2、光电探测器特性参数有哪些。答：响应率 光谱响应率 等效噪声率 探测率与比探测率 时间常数 线性 量子效率3、光电探测系统的噪声有哪几类。答：可分三类：（1）光子噪声：信号辐射产生的噪声 背景辐射产生的噪声；（2）探测器噪声：热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声 温度噪声；（3）信号放大及处理电路噪声；4、光辐射探测器的几种噪声，并分别解释。答：热噪声：载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏；散粒噪声：随机起伏所形成的噪声；产生-复合噪声：在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中出现产生-复合噪声； 1/f噪声：噪声的功率谱近似与频率成反比；温度噪声：由于器件本身温度变化引起

3、的噪声。5、如何合理选择光电探测器。答：根据待测光信号的大小，确定探测器的动态范围；探测器和光源的光谱匹配；须知道探测器的等效噪声功率，所产生电信号的信噪比；测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围；当测量的光信号幅值变化时，探测输出信号线性程度。除此之外，还需考虑其稳定性、测量精度、测量方式等因素。6、光电效应分为哪几种，分别解释。答：光电效应分为内光电效应和外光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。发生在物体表面上的光电转换称为外光电效应；发生在物体内部，特别是半导体内部载流子产生效应，称为内光电效应。第二章 光电检测中的常用光源1解释自发辐射，受激吸收，受

4、激辐射的概念。 答：1）自发辐射：原子开始处于高能态E2，自发地从高能态跃迁至低能态且E1，并发射频率为v=(E2-E1)/h的光子。 2）受激吸收：原子开始处于低能态，在1个频率为v=(E2-E1)/h的入射光子激发下，原子吸收了这个光子，跃迁至高能态。 3）受激辐射：原子开始处于高能态，在1个频率为v=(E2-E1)/h的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至低能态，并发射2个完全相同的光子。2激光产生的必要条件有哪些？ 答：条件有：粒子数反转：在热平衡条件下，原子按能级服从玻耳兹曼分布，有n1>>n2。但在非平衡态，就有可能使原子数按能级分布反转为n1<<n2，这种分

5、布即粒子数反转。光泵：将原子从低能态抽运至高能态的过程。谐振腔：谐振腔两个端面一是全反射，另一面是部分透射。只有沿着轴向来回反射的光子，才可能在腔内反射多次，不断受激辐射，使光子等比放大。从部分反射镜端出射一束极强的，指向性和单色性极好的激光束。3什么是激励？ 答：激励是从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁至高能态能级以实现粒子数反转的过程。（又称“激发”，“抽运”和“泵浦”）4说明激光器的结构，并解释每一部分作用。 答：激光器是由工作物质，谐振腔，泵浦源3个部分组成。作用：工作物质：组成原子具有亚稳态能级结构且产生粒子数反转的物质。谐振腔：受激辐射通过谐振腔使得辐射能量放大。而受

6、激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。泵浦源：是激光器的能量源泉，利用泵浦源能量将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，实现粒子数反转。5和普通光源相比，激光的特点有哪些？ 答：单色性：谱线宽度越窄，单色性越好。激光的单色性比普通光高1010倍。方向性：普通光源的光是均匀射向四面八方的，而激光器的发射角很小，即方向性好。亮度：激光器由于发光面小，发射角小，因此可获得高的光谱福亮度。与太阳光相比，高出几个乃至十几个数量级。相干性：激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的空间相干性。6按工作介质可以将激光器分为哪几类，每一类的工作物质是什么？ 答：按工作介

7、质，激光器可分为气体激光器，固体激光器，染料激光器和半导体激光器。工作物质：气体激光器：氦氖激光器的工作物质为氦气和氖气组成；氩离子激光器的工作物质为氩气；二氧化碳激光器的工作物质是二氧化碳。固体激光器：工作物质为具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，其里面掺入具有发射激光能力的金属离子。染料激光器：工作物质为染料。半导体激光器：工作物质为半导体。第三章 结型光电器件1、什么是光生伏特效应？答：PN结受光照照射时，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，这就是光生伏特效应。2、光照下的PN结有哪几

8、种工作模式？分别说明。答：如果工作在零偏置的开路状态，PN结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理称光伏工作模式。如果工作在反偏置状态，无光照射时结电阻很大，电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。3、硅光电池的基本结构。答：硅光电池按基底材料的不同，分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，在光敏面上涂上二氧化碳做保护膜，即成硅光电池。4、硅光电池的工作原理。答：硅光电池是一个大面积的光电二极

9、管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子-空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。硅光电池的等效电路如下图，图中Ip为恒流源流出与入射光照成正比的电流，D为等效二极管，Rsh为动态结电阻，Rs是串联电阻，Cj是结电容，RL为负载电阻，IL为流过负载电阻的电流，进一步简化等效电路如下右图，其中Rsh=dU/dI,Rsh越大越好。5、硅光电池的特性参数有哪些？答：伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。光谱特性，表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与

10、入射光波长之间的关系，一般用相对响应度表示。频率特性，对于结型光电器件，由于载流子在PN结区内的扩散、漂移，产生与复合都要有一定时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化，光电池接收正弦型光照时常用频率特性曲线表示。温度特性，主要指光照射光电池时对开路电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况，光电池的温度特性曲线。6、硅光电二极管是基于PN结的什么效应而工作的？通常在什么条件下工作？答：硅光电二极管和光电池一样，都是基于PN结的光伏效应而工作的，它主要用于可见及红外光谱区，硅光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零配置状态。7、硅光电二极管与光电池的异同点有哪些？答：同：硅光电二

11、极管的结构和工作原理与硅电池相似，且都是基于PN结的光伏效应而工作的。 异：就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，而硅光电二极管掺杂浓度低。光电池的电阻率低光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作一般说来，光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。8、硅光电二极管的工作原理。答：硅光电二极管通常是用在反偏的光电导工作模式，它在无光照条件下，若给PN结加一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使PN结空间电荷区拉宽，势垒增大。当硅光电二极管被光照时，在结区产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向N区，

12、光生（伏）空穴被拉向P区，于是形成以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样的条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大。当硅光电二极管与负载电阻RL串联时，则在RL的两端便可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转换9、硅光电三极管集电极电流受哪些因素控制？答：硅光电三极管集电极电流不只是受基极电路的电流控制，还受光的控制。10、 硅光电三极管的工作原理。答：以NPN为例，工作时需要保证集电结反偏置，发射结正偏置。由于集电结反偏，在结区内有很强的内建电场。对于3DU而言，内建电场方向是c到b，如果有光照到集电结上，在内建电场作

13、用下，光激发产生的光生载流子中的电子流向集电极，空穴流向基极，相对于外界向基极注入一个控制电流。当基极没有引线时，此时集电极电流为，所以光电转换部分是在集电结区进行的。原理上可看成一个硅光电二极管与普通晶体管结合而成。第四章 光电导器件1、解释光电导效应，光敏电阻是利用哪种光敏效应制作而成的器件？ 答：光电导效应是当材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化的现象。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电导管。2、光敏电阻结构？答：光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内而成的。3、光敏电阻有哪

14、几类？试分别说明。答：光敏电阻分为两类-本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。前者只有当入射光子能量h等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发一个电子-空穴对。在外加电场作用下形成光电流，能带结构如图（a）表示，后者如图（b）所示的n型半导体，光子的能量h只要等于或大于E时，就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外加电场作用下形成电流。4、哪种类型的光敏电阻使用较多，为什么？答：从原理上说，P型、N型半导体均可制成光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴大，而且N型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用N型半导体光敏电阻。5、光敏电阻的工作原理。答：光敏电阻没有极性，

15、纯粹是一个电阻器，使用时两电极可加直流电压，也可加交流电压。无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小。接受光照产生的光生载流子迅速增加。它的阻值急剧减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动，在电路形成电流，光生载流子越多电流越大。6、名词解释：暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流。答：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。光电流和暗电流之和称为亮电流。7、什么是前历效应？有哪几种？分别解释。答：前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现

16、象。前历效应有：暗态前历效应与亮态前历效应之分。暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。一般情况下，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所需达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。8、光敏电阻易受哪几类噪声影响？答：光敏电阻主要易受以下三种噪声影响：产生-复合噪声：频率在100Hz和接近1000Hz之间1/f噪声：频率低于100Hz热噪声：频率在1000Hz以上9、光敏电阻与结型器件相比有哪些区别？答：区别主要有以下几个方面：产生光电变换的部位不同。光敏电阻

17、不管哪一部分受光，受光部分的电导率就增大；而结型器件，只有照射到PN结区或结区附近的光才能产生光电效应。光敏电阻没有极性，工作时可任意外加电压，而结型光电器件有确定的正负极性，但在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，时间常数较大，频率响应较差；结型器件的光电效应主要依赖于结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动，电场主要加在结区，弛豫过程的时间常数相应较小，因此响应速度快。有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较高，也可通过较大的电流。10、试分析图4-21所示路灯自动控制电路工作原理。答：

18、当光线很弱时，光敏电阻阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻相对较小，因而流过继电器线圈的电流很小，达不到启动要求，继电器不能工作；电路中的电流几乎全部通过路灯，于是路灯点亮。当环境照度逐渐变大时，光敏电阻阻电器的电流足以使继电器J工作，动触点由常闭位置跳到常开位置，与电源断开，自动熄灭。11、光敏电阻常用来制作光控开关第五章 真空光电器件1.真空光电是基于外光电效应的光电探测器。2.解释光电阴极概念：答：能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体常用作阴极，故又称光电阴极。3. 说明光电发射和二次电子发射两者有哪些不同?简述光电倍增管的工作原理？答:（1）不同点：光电发射一般情况下，十

19、个光子也就是能激发出一个电子而已。二次电子发射，则有可能一个电子激出210个电子，因此具有放大电流的功能，而光电发射则是把光子转化成为电子，但这个转化率即量子效率，一般会低于20%。（2）光电倍增管的工作原理:光子透过入射窗口入射到光电阴极K上；光电阴极受光照激发，表面发射光电子；光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极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，光电子数目就放大N次；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Ip，在负载RL上产生信号电压U。4、光电倍增管中的倍增极有哪几种？每一种主要特点是什么？答：鼠笼式：结构紧凑，时间

20、响应快盒栅式：光电子收集高，均匀性稳定性好，时间响应稍慢。直流聚焦式：时间响应很快，线性好百叶筒式：均匀想好，输出电流大并且稳定，时间较慢近贴栅网式：均匀性好，脉冲线性，抗磁场影响力强微通道板式：响应速度极快，抗磁场干扰能力强，线性好5、 光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？答：在低压时，暗电流由漏电流决定。电压较高时，主要是热电子发射。电压再大，导致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，发生自持放点。6.光电倍增管由哪几部分组成？简述没部分作用？答：共有以下五个部分组成：入射窗口：光窗是入射光的通道，光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越大，吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波决定于光窗材料。

21、光电阴极：能够产生光电效应。电子光学系统；电子光学系统是指阴极到倍增系统一倍之间的电极空间，包括光电阴极，聚焦极，加速极及第一倍增极。电子倍增极：倍增系统是由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。决定整管灵敏度最关键部分。阳极：收集收集从末级倍增极发射出的二次电子。7.列举两种光电倍增管的应用：答：光谱测量：可用来测量光源在波长范围内的辐射功率 极微弱光信号的探测光子技术：由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用于光子计数，但当测量的光照微弱到一定水平时，探测器本身噪声偏大，所以光子计数器一般用于测量小于10-14w的连续微弱辐射。第六章 真空成

22、像器件1、光电成像器件足够输出图像信息的一类器件，包括真空成像器件和固体成像器件两大类。 2、真空成像器件根据管内有无扫描机构又分为像管和摄像管。3、像管和摄像管的主要功能？答：（1）像管主要功能是把不可见辐射图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学关系转换成可见光图像，它又分成像管和像增强器两大类。（2）摄像管是把可见光或不可见辐射的二维图像通过光电靶和电子束扫描后转换成相应的一维视频信号，通过显示器件再成像。 4、固体成像器件的工作原理。答：固体成像器件不像真空器件那样需用电子束在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构求电路读出电信号然后通过显示器件再成像。5、简述像管结构和工作原理。

23、答：结构：像管由光电阴极、电子透镜、荧光屏3个基本部分组成。原理：光电阴极能把一些辐射图像或亮度低的图像转换成电子图像，而经电子光学系统对电子施加强电场，使电子获得能量，因而能将光电阴极传出的电子束加速并聚焦成像在荧光屏上，在荧光屏的作用下高速电子图像转换成可见光图像。第七章 固体成像器件1、固体成像器件有两大类，分别是电荷耦合器件CCD和自扫描二极管列阵SSPD。2、电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号而不是以电流或电压工作为信号3、电荷耦合器件与MOS管的工作原理有何区别答：MOS晶体管是利用在电极下的半导体表面形成的反型层进行工作的。CCD是利用在电极下SiO2一半导体界面形成的深耗层

24、进行工作的，属非稳态器件4、CCD有哪几部分组成？简述每部分作用答：CCD有3部分组成：信号输入部分，电荷转移部分和信号输出部分。 作用：信号输入部分：将信号电荷引入到CCD的第一个转移棚下的势阱中。 电荷转移部分：使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表 面形成一系列分布不对称的势阱。 输出部分：见CCD最后一个转移柵下势阱中的信号电荷引出5、CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD6、按接受光谱CCD摄像机可分为：可见光CCD，红外光CCD，X射线CCD和紫外线CCD。7、描述CCD的主要性能参数有哪些？简单说明答：电荷转移效率和转移损失率：表征CCD器件性能好坏的一个重要参数 光谱响

25、应率和干涉效应 分辨率和调制传递函数：极限分辨率为空间采样频率的一半 动态范围：表征器件能在多大照度范围内正常工作 暗电流和噪声：当信号电荷转移时，暗电流的加入会引起噪声或干扰8、试说明光电二极管列阵的结构形成和工作原理答：结构形式：一种是普通光电二极管列阵，另一种是自扫描光电二极管列阵SSPD工作原理：（1）连续工作方式:如右图，当一束光照到光电二极管的光敏面上时，光电流为IP=*AE，可知，光电二极管的光电流与入射光的照度和光敏区面积成正比，光一直照下去，负载上的电压一直输出。（2）电荷存储工作方式:如右图所示，电荷存储工作过程可分为下3个步骤: 准备过程：闭合开关S，光电二极管的结电容C

26、d充电，充电稳定后，PN结上电压为电源电压Uc，此时结电容Cd上电荷为Q=CdUc 曝光过程：打开开关S，让光照在光电二极管上。由于光电流和暗电流存在，结电容缓慢放电。若K断开时间为TS，那么Cd上释放的电荷为Q=（IP+ID）*TS 。室温下，暗电流可以忽略，即Q=*TS。结电容上电压为 Ucd=Uc-。 在充电过程：经过Ts积分后，闭合S，Cd再次充电，电压达到Uc ，UR,max= Uc-Ucd=。 9、列举固体摄像管的3个应用，并做简单说明答：文字阅读与图像识别：工作时，将纸张或图像放在传送带上，线阵CCD光敏无排列的方向与纸或图像运动方向垂直。光学镜头把数字或图像聚焦在光敏元上，当传

27、送带运动时，CCD成像器即可以逐行扫描的方式将图像读出，最后显示处理。图形轮廓测绘系统：它是通过计算机光敏面上物象所占光敏元的个数。然后根据单个光敏元的个数，然后根据单个光敏元的尺寸及光学系统的放大率换算而得到被测图形尺寸的。光谱检测中的应用：目前它已应用于原子发射和吸收光谱、拉曼光谱、萤光光谱等方面的检测。第八章 红外辐射与红外探测器1、说明红外探测器的定义和工作时的物理过程分别是怎样的？答：（1）红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的光电器件，它是红外探测系统的关键部件，也称红外传感器。（2）红外探测器工作的物理过程是：当器件吸收辐射通量时产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参数的变化，

28、监测其中一种性能的变化可以探知辐射的存在和强弱2、红外辐射的物理本质如何，它与温度有何关系答：红外辐射的物理本质是热辐射。物体温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射出的能量就越强。3、 解释什么是红外辐射源。答：当物质温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可视为红外辐射源4、常见的红外探测器有两大类：热探测器和光子探测器5、说明热探测器的工作原理及它进行光电转换的过程是怎样的?答：（1）工作原理：热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器；（2）它进行光电转换的过程分为两步：第一步是探测器吸收红外辐

29、射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步是利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。6、说明光子型红外探测器的工作原理及分类答：光子型红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射下产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化来确定红外辐射的强弱。按工作原理分为：外光电探测器和内光电探测器。内光电效应分为：光电导探测器、光生伏特探测器、光磁电探测器。7、试比较热电探测器和光子探测器的优缺点答：（1）热电探测器： 优点：响应率与波长无关，属于无选择探测器，可在室温下工作。 缺点：受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低（2）光子探测器： 优点：灵敏度高响应速度快 相应频率高 缺点：一般需要在低温下工作 探测波段较窄8、说明红外测温的特征及测温原理答：（1）特征：反应速度快 灵敏度高 属于非接触测温 准确度高 几乎适合所有温度场合 （2）红外测温原理：全辐射测温测量物体所辐射出来的