完整word版,光电检测技术和应用_郭培源_课后答案

1、范文范例参考光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配 定位（2）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器一一数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测 -热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD 医疗卫生数字体温计：接触式 -热敏电阻，非接触式-红外传感器办公商务一 扫描仪：文档扫描-线阵CCD 红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管（3）光电检测技术在军事上

2、的 应用：夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标光电 检测技术应用实例简介点钞机（1）激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制 困难，故用于辨伪很准确。（2）红外穿透检测一红外信号的检测红外穿透的工作原理 是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高，因而 对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。人民币的纸质特征与假钞的纸质特征 有一定的差异，用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会 不同，利用这一原理，可以实现辨伪

3、。（3）荧光反应的检测一荧光信号的检测荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行 检测。人民币采用专用纸张制造（含85%以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420 460nm的蓝光），人民币则没有荧光反应。所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票 的荧光反映，可判别钞票真假。（4）纸宽的检测一红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红 外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器 的运行状态进行判断，比如有

4、无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。（5）喂钞台、接钞台传感器一红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有 一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。2、如何实现非电量的测量?为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来 实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的 电压信号以方便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放 大后的信号经模拟/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。微处理器 或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一步处理 并

5、将信号输出显示、存储和控制。二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智 能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其 它的电路参数。在选用合适的传感器之后，就要设计传感器的接口电路。从电子学的 角度来看，不同的传感器具有不同的电特性和需要不同的驱动信号（也有的传感器不 需要驱动信号），为取得更高的精度和最佳的性能，需要设计传感器接口电路。3、影响检测测量精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素有时最基本而且需要特别 注意的？ 测量器具本身存在的误差。环境因素，如气温，气压，干燥程度，震动，磁场等。人 为因素，如视觉误差等等。还有使用测量器具时的方法不得当造成的误差

6、。4、什么是噪声和干扰？什么是有用信号?噪声是来自元器件内部粒子；而干扰是指其他的有害信号，有系统外部的，也可以有 内部的。有用信号指传递用户所需信息的信号，或是用来让接收设备收到信号后产生 一个预先设定的动作的信号。从物理角度看，噪声是由声源作无规则和非周期性振动 产生的声音。噪声为电子系统中任何不需要的信号。噪声会导致信号质量下降以及精 确测量方面的错误。噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响 电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，固有噪声由电路元件本身生成，最常见 的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。干扰分3部分，干扰源、耦合通道和敏感对象。在不同空间和时间尺度

7、上偶然发生，不可预知。5、如何判断干扰？如何避免干扰?常见的信号的干扰有：（1）器件工作的噪声干扰，比如说数字电路正负逻辑的转换导 致的电磁场干扰，电搜索压电流变化产生的电磁场干扰。（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损），因为高频电路能产生强电磁场，产生感应信号。（3）电源噪声干扰，现在大部分电源系统采用的都是开关电源，开关电路的高频开关动作会导致严重的高频 噪声。（4）地线噪声干扰，都知道只要是线就会存在电阻，当一条地线上挂有多个设 备时，而且工作电流较大时，小电阻也会产生电位差，从而影响设备。总之干扰无处 不在，在设计电路或画 PCB时可以考虑从3点处理，即屏蔽干扰源、切断耦合通道、 保护敏

8、感对象。6、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期？为什么要通过测量周期的方法来 测量低频信号的频率？ 采用多周期同步测量技术，这种测量方法实际上是对信号周期进行测量，信号的频率 是经过倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法也称为倒数计数器法。数字频率计测量频率的原理：石英振荡器1MHz标准脉冲信号，经过分频器分频为1Hz周期1s的尖波信号接到控制门的控制端，被测信号通过放大整形变为正半波尖脉冲信 号，接到控制器的信号端；第一个秒信号触发控制门打开，尖脉冲通过控制门，第二 个秒信号到来后控制门关闭，脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内通过控制门的尖 脉冲个数就等于被测信号的频率值

9、。数字频率计测量周期的原理：采用上述方法测量 低频信号时可能产生较大的误差，因为第一个秒信号到来的时间是随机的，计数器从 开启到关闭可能多记一个或少记一个数；因此，为了保证低频信号测量的精度，可以 用周期测量法：即用被测信号脉冲去控制门电路的开启，让标准时间通过控制门，进 入计数器进行计数，这样计数器的值就等于一个被测电压的周期内有几个标准时间脉 冲通过，相当于一个周期等于几个时间单位。这就是为什么要通过测量周期来测定低 频型号的频率搜索的原因。8、试叙述光电检测系统的组成及特点。P6组成:（1）光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位

10、、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。（2）光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。（3）电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。第2章P111、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流?2.2.1暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动， 形成亮电流。2、简述光生伏特效应的工作原理。

11、为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响 应速度？答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应.当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向 n区，光生空穴拉向P区，相当于PN 结上加一个正电压。（2）光伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少 数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础 的检测器件有更快的响应速度。P153、简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点?4、比较光电效应和热电效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电 导率发

12、生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中 束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长） 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。按照 是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、 光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。光热效应的实质是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 又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对 光波频率（或波长）

13、没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化 率），而与入射光辐射的光谱成分无关。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。光热效应包括热释电效 应、温差电效应和测热辐射计效应等 1、试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏度越高。解：在從第信号啟皤射下，将式 1-30）刊叫川_旷）代入（厲玖 并对其求导即可得半导休材料在弱辐射下的光电导灵敏g刿S厂爲=無2）如知炯响应眼灵迪姦2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏 度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时

14、情况又会如何？为军.同一型号的光敏电齟.在不同先照變下利不同的坤境蛊盛T 其光电导灵數虞利时 闾常数不相同-在职度相同而温夏环同时，S光电辱灵甌度不相同和时司窜数也不下冃同. 史廟斛性區已经一样*只星决.宝了 的信一定.光購廈和环境蛊度不冋.则产生的光生电子 戟度和抑生邑二沫K各异*决宝了 值不同”呪屢相同决定光生电子浓虞相同”温度不同决 定热生电子滦度环同.同样也块宝了 洁不同.白（1-SS）和（-gfi）挂出光电灵融废不相 虱 由 Z 和2-10推出S时刑常数不专冃司B3, 为什去结型光电器件在止冋«直旳，畏有附显的光电或脸¥它必殖在哪种«直状态为答因为P F

15、紿在外加正问偏压旳，即伕役有光愿 电猱也随者电压指数级仕増加，所臥有 光电效应不明显-PF第必须在反冋偏后审扶态下，有明显的尤电敢应产生，这是 因为塔在反诟电压下产生韵电筑妾饱和，朗以北照培了匚时.得到田光生电流就会明显増4在如图3-TO所示的F?3明刘控嗣肚曙中得題3所給的CdS光驭电®用什元电传悪器&在如右a所示的預明灯K机电路种，用ccis光敏电®用作光电传感器，光®电® 最大功耗为30Qrr乳 光电寻灵敢度ST=O.mx 1Q-旳门x.喑电§ t0 = 0-若己知谜电 琴绕组的变阻为5kQ,速SS的吸合电流为 如b电沮R-lkf

16、i :试求；为tt樂 电器吸合所需萼的昶.專：©夢使維自髯存照S为3"时吸合应如何调整电PER.（10 井）踊：.弋电禺闇代电温*严»疋*亦璀先匡前札flsiVr甲Ti， TQiII卩-4*的便电电B科占附高對闸取満起k = 沪家 =甘皿 亦比战电国JS t幼"3M nW.电河为匕时U £= mV-fw阳帀盂旦履戯水弘=欝二一d 二2&A7UM 严"巧k引哽侖从气总氏n 133133V > 厲呼”.杠1达>（龍轨5昨啦1虹国向也“鶴吗jvtJi卢直亀* 廊疋（6皑阴的楼蹴片,IMP甌恤就轴这久託的咆托.光«

17、;町険，损坏，即无论怎么调整电阻 R都不会使继电器吸合。时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何?3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态? 为什么？答：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。4、在如图3-70所示的照明灯控制电路中，将题3所给的CdS光敏电阻用作光电传感器 5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏

18、器件与光电导器件工作频 率哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应？响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命有关，减小 ，则频率响应提高其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化， 因为它们都影响载流子的寿命。光伏特器件的工作频率高于光电导器件。要改善光伏 器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：减小负载电阻；减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？影响光电倍增管工作的环境因 素有哪些？如何减少这些因素的影响？温度升高时，半导体的导电性将发生一定的变化，即少数载流子浓

19、度随着温度的 升高而指数式增大，相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小，这就使得多数载 流子往对方扩散的作用减弱，从而起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低。从 Fermi能级的变化上来理解：温度越高，半导体Fermi能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化），则两边半导体的 Fermi能级之差也就越小，所以 p-n结势垒高度也就越低，也 就是开压降低。光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、环境光和温度 变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据 也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要 因素之一。光电倍增管工作

20、时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生较 大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响。 降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明为什么光电检测器件 的工作波长越长，工作温度就越低？P448、简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。二者的结构上是相 似的，但是LED没有谐振腔，LD有谐振腔。LD工作原理是基于受激辐射、 LED是基于 自发辐射。LD发射功率较高、光谱

21、较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。9、试判别下列结论，正确的在括号里填写T,错误的则填写F:F)（1）光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。（T)（2）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。（3）光敏电阻的是由于被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且, 随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，使得光敏电阻恢复被 照前的阻值需要很长时间。（T）10、简述光电耦合器件的工作原理？P51 光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极 管）组装在一起，通过光

22、线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及测量应用中的自动增益控制 电路。2楼道照明灯自动控制电路设计原理图横逍I肮明灯n动腔制电略设讯总电辭岡如闻7和関 所4,它市电游电熾、光控电霸和K时 挣制电將r拖祥电童1外處屉电?毀娅电话擅制电谿囚部射刎威- 22（JV电压豈过电池电將餉分进野隆 笊、棣沆、滤陂加稳斥为其官电路橇供i2¥的匿嚴工作电冋时通过光敏电;列、新盘輕狎电 釧外性感曙及时基集M15SSXR控制，fetl氏灯不亮，瘦间育人來前时跌灯门动点亮，人送 卡；咆时一国忖问h动煌灭，从血达鄴弋能的LI的"hf肉试控制康魏l

23、a保HI：的路在总常 15抚下mu匹检控储.fli* X1Bl ? fitaf用麗灯0誚控刮甩话腔W电踌和护打声叫百门呦肿孙F解a 11 松時-“冷所吐1勺颂也熾$址晰肩 at电埠1铝陣高. 鱼电昌常嘰细遞乏霽御遷仁勺祈茴比書闽抵闍-"用逋先宾*1盯无7；武，活严远pf卄4帀f匹曲.q、弔-性a-竜'尉同L.用 宙曲 r 固讨 臺:rd；s rv/r - ：了堆<-S.3啦具呻山釘E 3晰审弟岡'黒可術不电叩” Bi址戰啊H罔闵龟膻 骼竭:亂靑.（恳近F H W t£W）row.配疇譯®敏腫片S g,s x urr：畑.，电牛竜-D.齐心幻窒

24、电冷墟如賞*W剁旳吕皿.涎电 »*n.|«> 祁 t;切已 f 4 f完美Word格式整理版将仃记叭代入的农达戍笄求丈+的一 E介9數*令先=0*求得最大幵路电用.由n,试分折图3-y gx Cb）所示的收大吐賂中，光戦曲阻即 的fr用. 汁匚,石删，IIIE ' >I 亠«即同柑反馈支路叫反馈电很大，辆出电压吾.托駅爸尢污照时，即阻值很大，如J使得Rpj”使得同相反馈支餐阻佰诚小，输出电打降0（b）无光愿时.Rp诅喈很丈.辎人近佩开路.翔出电压低"光强焙加f使得Rp/< 得辆人信号iSA.辅岀信号增丈.15. 为和么在尤團陵増

25、人到一宦程廈£61尤电池的开路电压不再駆人射呱匱的人而増 大？砰托电泡的最大开跻电ff洒务少？为什么fif芳电泡的有载輸出电总屮于相同照瞎下 的压琴答答£当光照撫度增>:和菜个特宦值时，硅光电池的P'Tl結产生的光生教流了数达別了 S大侑，闕I谀饱札再席大光照强麒其卅潞由乐不再隔Z#大.硅_trT 1光电池的幵路电用表达式为f/J幸一In（上+ 1）,+楡出电压/ =打叫=1你-打也石=1）心，即包會了扩散电SU”訐'和暗I您涼打的影响，便得陡光电池的右载输岀电用总小+川路电爪U".1)14、硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池

26、的输出功率最大？（ 极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。(2)显然，存在着最佳负载电阻出功率PmaxRopt,在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点？(1)光生伏特器件有反向偏置电路,零偏置电路，自偏置电路。(2) 特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载 为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入 射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。反向偏置电路： 光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反

27、向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检 测与光电变换中。零偏置电路：光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流Ise与入射辐射量(如照度)或线性关系变化，因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路。16、试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。Uth 值。答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时，二者 的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲 线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极管的伏安特 性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必 须小于0.7V，否则不

28、能产生光电效应。该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极 管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压 17、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。W门一说)J十打怯告答：硅光电战管的空电建为程为n-fhe式屮-为光电材料的光电转换效率* 光电流対虽输射时的电涼为i "时-1)丿为聊电说，苗加圧光1_機曽期谕;的电心 为赛打的温Ji, t为披尔施曼窃熟，g18.比较26 型桂光I电一.极管科型硅光电二機管的结构特点，说明JI入环 扱的羸义.答* 2CU型陡光电 '极管是采川n型?材判出基底4 n区的一向扩融仝价元素砌而生成 貳勇杂P，型层* p*型层和n型硅相接値冊成严

29、“F札引出电极，rr光墩商卜涂上保 护. MDU型社叱曲-扱管赴以轻掺杂、為诅值的P型硅材料做嚴底，在P型垒底上扩啟 五愉元索磷，形成S務杂F厂型已P型碓fn/T型硅播触形血Ml结，厂区引出正瞰 井 滦以遴切的GO川;为探护膜”皐底健15燕忆看引岀负电虬在務光电械骨的制也过程也 和我約血上涂山q保护宗的过科中.不11薩做的克沾污一空黑质贬离于.谡赴静阳朋屁别 起表血湍Hi漁*井腔而产生晤电说和散粒噪声.W圮 为r减少由于射6 4S正藹子的 諦电感应所产生的志rfii漏电渝在転化拮屮也扩敞一个光血包W起來.由 引入环將 以増加高阳区宽度，避免边缘过早击穿19、影响光生伏特器件频率响应特性的主要因

30、素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107Hz?怎样提高硅光电二极管的频率响应 ？（1）影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间T dr，即漂移时间；2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间T P,即扩散时间；3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成 的RC延迟时间T RCo对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间TP是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间TP很长，约为100ns,则其最高工作频率小于等于107Hz。（3）1 ）减小PN结面积；2）

31、增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；3）适当增加工作电压；4）尽量减少结构造成的分布电容；5）增加PN结深，减小串联电阻；6）设计选用最佳负载阻值。PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？ PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发20、为什么说发光二极管的发光区在 答：对于PN结注入发光的发光二极管，当 当加正向偏压时，光，并主要发生在 P区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相 对运动，即电子由 N区向P区运动，而空穴向 N区运动。但由于电子的迁移率 ？N比空 穴的迁移率？P高20倍左右，电子很快从 N区

32、迁移到P区，因而复合发光主要发生在 P 区。21、为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？ 答：由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因 此要求有非平衡载流子的相对运动，使电子由N区向P区运动，而空穴由P区向N区运动。在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足 以使LED发光。因此，要使 LED发光，必须加正向偏压。22、发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义?发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结

33、构决定，而与器件的几何 形状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长P 。在LED谱线的峰值两侧处, 存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应 P,它们之间的宽度即为半谱线宽度，也称 半功率宽度，它是一个反映 LED单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越好， 发光功率集中于半谱线宽度内。23、产生激光的三个必要条件是什么?答：产生激光的三个必要条件是：（1）必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能 态上去，为此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；（3）有一个谐振腔为出射光子提供正反馈

34、及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。LD光的24、半导体激光器有什么特点？LD与LED发光机理的根本区别是什么？为什么相干性要好于LED光？答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方 式来泵浦。其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用 高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广 泛应用于光通信、光学测量、自动控制等方面。LD的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而LED发光的机理是非平衡载流子的复合发光。由于LD的发光过程是受激辐射,单色性好，发射角小，因此有很好的时间和空间相干性。25、为什么需要将发

35、光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合 器件的主要特性有哪些？答：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为 光电耦合器件。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相 连。同时，它在信号传输速度、体积、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的 优势。因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、 电信号的传输和处理及计算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：（1）具有电隔离的功能；（2）信号传输具有单向性；（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；（4） 响应速度快；（5）实用性强；（6）既具有耦合特性又具有隔离

36、特性。26、举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器 件？答：光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光 电、电子技术中得到了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材6.5小节所述。在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高 传输中的信噪比。27、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于 发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于1 ？於；肥汁曙H中发花 嵌青的厦咒他瀝为打.接收黔竹兄电 我H产1附卷唯说叩H 良示*典巾等发址=根泮的发比效 汇电=虽怜的增益屋 音i问

37、帰离f 甥敌仃关的係血林为出戲发改申：疣 般比* i底噺以件丿阴人f人.曲f “为/W'j/, rrjiLtfi，佻皿1尤乜战合盟付巾乩下加父合啟人 磺竹时.兀电渝传愉就“总小匚血 T按攻畧幷I託川尤电计吃W附，山于尤业许本口H fl电漓人那用，N此输幽t电流人 厂F r投X.电溢.也灿儿电淡传幡吃人JJ U供卫瀚岀址电iWia 訣跖级的亂氓=梯询购输出朮电池fl卄M垃吊憋1聃川M汕用訂藉I讣卜弋止'诙T毕1必路 我扣刖氏的图,川尤qi關仔Kf1构说的如E门Xnaft.H FfM.熾合F山1纠心怙匕传循fl川+旧卉山旳门 口 I川fj十汛fHt tv先.比电锹舎為fl rm応号

38、传辅是以九的仍代迅行的，迄与I社齐利州电丫血戎电乐传 轴冊号仆同2 K次.尤世W汁揣n诃以將输入端伯血協转换九吃仁J：返帝罠*乩 血电容 具#彳隅曲作用冉次的f 乂;釘;.咒屯懼合器竹相応谄钊为同砂宰 .世殆丐卫-输*时 小“换率的怡淋均吒爼測卄3，ifQiJ!客传#立漁话4时;?崔现出fty细宰下冋 而玄比的罰抗（也讯；计海人 无汎K输低薇忙弓,/F： |；.心抗丁扰別神矇加皿 比山,WH专 件比咆容耍茁30、简述半导体激光器的工作原理。它有哪些特点?原理：半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（ 要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒

39、子数；（ 有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发 光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振 荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。3K给出了用光电耦合器件隔离的一种高压稳定电路，说明其工作原理尺对该光电耦 吉器的W占0為本电舊是低压控制高压输出装置，a VU 复合笥组咸变压帔放大电跖 由光电耦合器组成低压控制高压的光控器中，由取样电阻(R取血

40、.R5)比较放大 电路¥3和基准电压ydja成稳压控制町筑亠当负载上州h上升，上卅 复合管的JXHH Ik減少，由于QP 瓦故光耦合作用减小，光耦合三极管DCM)的h减小，复合管V2的IL减 小.其ZC随之矽卜复合管Y1的 吐升'其Ml随之上升.负载电流应上珀 其电压也随之上升.反之则反、从而实现了低压控高压的g的T (具中抽电阻提 供编B电压，R2作为基准电IS作降压用，氐作为限流电阻 作反馈用，VD作対基 准电压管厂32 X熱福射转捌器诵帝分为邨两个阳啓？哪个酚段能踊产牛热电效应？第=阶段匕器件吸收光辐射能量而使a身渥度发生变化，第二阶段，器件依恢某神逞度歌恳持性把羯射引

41、的温慶殳优转化芍利应的包信冷而达到 光辐期採渕B豹.第二阶段盘够产主热电敢应3-3J热释电效应应如何理解？ ft电检测S为什么貝能检测交变辐射信号？ 热释电敦应J热璋电晶休吸收戏辐辭焉度改变，温度的变化引起了热电晶体的自发极化強 度的变化，从而在晶休的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热»电效应*ftjs热释电效应，释电探«器的电症和温度茁变化満足】-如果鹽射光是恒定ffl,£/r那么温«丁«恒定IT电溢为零所以抄电探测翼是一种交溢器杵.34、简述热电偶工作原理？热电检测器为什么只能检测变幅射信号?热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体

42、组成闭合回路，当两端存在温度梯 度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势一一热电动势，这就是所 谓的塞贝克效应(Seebeckeffect )。35、为什么半导体材料常具有负温度系数?热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系 数(NTC)热敏电 热敏电阻器阻器。负温 度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钻、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要 原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于 锗、硅晶体材料，体内的载流子(电子和空穴)数目少，电

43、阻较高；温度升高，体内 载流子数目增加，自然电阻值降低。第四章 1：总结不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。 答：不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。b所示。2:如图所示电路中，设电源电压源为Ub=9V光敏二极管的伏安特性曲线如图光敏二极管上的光通量在 0150 口 Im变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输 出交变电压的幅值为3V,求所需的负载电阻 RL,并作出负载线。烈财打如傅阳乘的电瞎中.谡用則b二爭讥 兀戦二14普的伏空特忤歯线图恸）朮敏二楼管卜的 ftlffigO-lSOnlinN间燮ft一骑尤塾S在tt范W山柞B虽

44、逼此*婴住»出理变Ft：除的«|怕为iW取怖需的负 喪电砒血-卉帝宙載哉一p7?inlii；-叽-S、闯 |£L VmF囲I光戦二番憤人生型具伏安特11Wt Miffiti口着州*吒®一横管的昭为iSU plnV忡的址剋視片17|tA悯tfc比电溺Slt« 为山=17- J = ISM空奄瓷41蛊的kjiUm T.siiji.謂此爾畫ctr曲蜜M 弓凶 3亍aJfill fife tallfl HtO后rtS3过h虑図作糸耳u Mifio s airtanfn塑 勺(轴空M点，W MN即为所 求却.QjtLrSffjrfTA3已知某琴i光电二彊

45、営的灵耿度为叱;”给间电导&=0讣£ （孤西），特折电压 L0=Un,入射光功聲从pJlMH变到P "=；5 inv,偏压Lb=5UV .衣験大辅出功罟时的 竜隹罚報如、输哉电渝Al、籀出电压AL和辅出功牢PL。7 P1O9T3J1JUI I&知光电-楹诗前理殖矍为05 iA/mW.轄问电寻石=0.01曲儼啊h貲折庖床 = 10V. ttJt功事从严三ISwW变f«P=¥3uW”側圧三5啊点最大输出劝辱时的Stt負fUL 愉皿电眾M*输 附电斥心0»«弗功車凫Ht初妬电导SP' &+ =%= l.Z&#

46、171; K 旳=0315(15(4 -必50-1。Al - I/Cl -百看-34苗卅fl愉山电IK右+仏0.C3 4 0.315加=GiAV ="少£X tS.395 =鼻IM* #战功宰f = matf = 4.846 X 15.4B5 = 7<5 却种(P3OTH) CtoX St址电一*»的55戟废丹11£ i»A/ev. #阿用#打- (MU A儼画"戟祈电用细» ruv. A«Jtfl(jTVJ> = 5 + 3stijwt tiiWb «压(4 =啊讥 试鴉 电幻号海出送1殴大

47、盼时-戢得最玄功宰喲电 Rlb旷故去的入电魁童上丄圧(ft送制St大JB的更斥段旳事«Ct由皓定条什町确邃用味助光功宰値为压-3 皿 ft - 5 pW&大功事憎出Bh且瀝5樂#"$幅+2 阳叶"如 OlSx(3 + ZkS) + 2x(1(Hx10 厂2 x(4O- 10)r“i _ H 、" r -一一« 0,112 IlkSAm » l/Cfc,-01929 MO% = Gt + G m2 七 0.01 = 0.122 pS电阻局 * 1/0422 0J97 MO4単Wqj?=尤电信増骨«首电路如困斗22所示.

48、兀电倍増管的即极积分灵敏废SKNOn丄伽.阳 AS祖分灵欤度Si»-gllra.阳0暗电渝W-4叮.输入电踏是电和电容cw-o.l阴報白和为aOiniQ,燮农41号申福UL=h)-©,计算ffl极嗓芦电痂，负戦电阻 上的噪声电压和信噪比-GIP1M昭师S 3断和 北电f咅碉ISiH分貝（殴 =30注Zlm阳摂取疑6班5* = 110 AAm.阳歳 屠麵谴& =4mA.矗人电踊是枢ERP = IMC細社畔q = 0 $ M的朕.隔踱而印为” ezY中社探 yji - I旷怙.计埠槌咲电爲*員醍电讽耳的*爲电耳和加峰出尊郭I声带宽和住a电W在眉Tft代鎮F井呦A斬侥寂禽

49、W如h（哥用fSHV 口峨声电谨栅鱼嗾1诩咙由啓E转*円社悔曲A = Jdq円XabR =X 1.6022XO.jZiSx IWJx 1.5 X J5 = 2.5«Z X IP" A = 2占1£3 k 1叮妙式叩敌文罹&M -= 10/30' = 0333 M. f上= 100，蹟昇缔醪*11収2 5ft蛭戶底瀛/.T =X lOE = 1 药何乔 X ?萨中=ZJ40 X l(r H A = 2JM9 X IO-*(4AJm 3 jiU + 临-虹=2 Sa3 H 10- uA如ft电(H上的/为咆“标岭 S 如 fr 三 2.631 X 10

50、" K 0 1 = Z5H3 X lO * V巧阳町上= 1M/£SB3 X= Wl x la*】tHPio9茁斶述琢蛙大a嗥頁系ft达劉就小to的ifeft 書：ftSGt大戸桌殴F t X 蛍,JpH*V s 1 X -4 - AkT&f：1| = 0 命背0 =出=&fttts敬大骂噪由隕ft达Wfid*值睾ft遷裁电期垮t我丈轟廩Aill/k与锁金电«的忆值貼.fiU尺厂r第五章1：直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测?二-必Ua才 d(f)2所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器 光敏面上，光检测器响应于

51、光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。光检 测器输出的电流为： 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二 项，这就是包络检测的意思。2：对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比?答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：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在实际的光电探测 器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪 声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导

52、作用；当频率达到中间范围频率时，产生一一复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至 频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。因此，对于直接探测系统，提高输入信 噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路 的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（ S/N）最大 3:什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。轨

53、=2"答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声, 其他噪声可忽略时，此时信噪比为：该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直 接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态。4：试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增 系数。（参考） 答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当很大时，热噪声可忽略。若光电 倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直 接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器 是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。5：对于点检测光电系统，怎样提高系统的作用距

54、离?3. r接探渭方法的基4：原H是什么？对！点探甜光电垂统.1样矗；5索躱的柞用和答：頁接探«®将诗检测的光们号a接入射判北探«器的光®面h杆光探测辟«光强仁号rt接转化为相应的电淹或电用、般据不御蝌挠的炎求.再牲扃徴电踪处理I：如故大，池波或其种口号变换哂路儿晟弊获得有iju的人；号电覺髙点撫测兑电媒统的作用即高引以从以卜儿介方发射系统的羊恆立体們的劈村功輒 把光:源戻射光话眾选在大9U范關内.探#«佥作訂冶 祢帶构耳寸允许的情配C嫌大光学嫌纸的IU冷常电第六章1:试从工作原理和系统性能两个方面比较直接检测系统和光外差检测系统的特

55、点。答:工作原理上：直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面 上，光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压；光外差检测是利用两束频率不同的相干光在满足波前匹配条件下，在光电探测器上进行光学混频，探测器 输出的信号是两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特 征。系统性能上：直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输 入信噪比，不适宜检测微弱信号；光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严格的空间条件和频率条件，但检测距离远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱 信号的方法。2:有一光子探测器运用于相干探测。假设入射到光混频器上的本

56、振光功率PL=10mVV光混频器的量子效率n =0.5，入射的信号光波长入=1 口 m负载电阻RL=50Q，试求该光 外差探测系统的转换增益PIF/PS=?2.右以光于探«»站用当塑干探測.ffi逊人科疊光混樺SS L的木播光功書pXOmw. 此滋期®的*子%畔1-0.5”入射的f；l,Mliim*戲歆电齟R声son.诫承谏Jt蚱就捉测瘾tfc的披税能益P討巧"解 * 怖/冷=玄（的/h¥尸料lW *m <）7*Q4 02-1（1"3:试述S：现外差樓必须寤足吊亲杵“箸：1）琴妆冬干闻颛的信号卅和本振吒应昂畏袒相干的皀颛单模州，

57、琴有稳T的掠荡颛 率Mfe. 2）在托雇频号上信号光与本振光S求偏振方向一致。打信号光与本振光g 求空间満前匹配.即夢康¥间调准（准育，#辅儿 波面删"iV垂育人射于许揭颉表面。二讦 束入射斜。应漳足关系a<xok其中W是本振删长丄是进电探测器光敏面尺寸。4：窗尤害寿相干槪测秆辑出以载尺I3S的峰慎信号劝李S.求光¥莖担下探测茁输出负載班端口号功率光零磐相干探测瞬时中频电床为v,pAARi麟时功率Rr=wVRL邙“A冷他）ip丹Ri英屮Pi'Ps分别为本振光和儘耳光的功奉.5试述轍光干¥«长的基本原理-答：UJ国斯示#朝瓠履取颛瀚

58、光干淞代的瓯理示爲因“宙怅裁为206ilini的全内腔H养M隸战¥发出一垃互相垂纵険娱馄擦光.愼il同ffi 为也（贰中杠妁托進.i为俯哥腔枚.阿为空气折口军.冥僵豹经帝 霄$澤®耶沈程频匡号.迸行吗軽颉.K象光束再经忻光£电反躬反遇射.反射的一対正交线® 孫光作均势看倡号.渥速轨、偏振片产生抬频曙号.为光电接收器按收.遗射光经光扩屣器 淮直扩束后.为偏義分光诜分光，ZK平分»新向涮馆雄淡，垂直分射向固芷甬傩険两 路光返回宕经速ft* «撮片产生柏频.当测«儷在时佃f内以速廈厂移访一距S时，0多&勒改应而引起麺蚕变化#*这样骏購後慶信.Silt干返回光束4 井为光狀接收器按收,51 可再荔i说运动距与袖啦差变忆的矢杀式根僵测镜迄动引远的多習勒农应与相位