玉林师院光电子学期末复习

1、精选优质文档-倾情为你奉上玉林师院光电子学期末复习第一章1. 为了衡量光源和光电探测器的性能，需要对光辐射进行定量描述，故引入辐射度学与光度学。2. 光谱光视效率或视见函数:人眼对各种光波长的相对灵敏度.3. 人眼只能感知波长在0.380.78m之间的辐射，故称这个波段的光为可见光。（对绿光最灵敏，红光、蓝光次之）。4. 光通量：单位时间内通过某截面的所右光波长的光能称为光通量，单位为(流明)。5. 发光强度：，单位为cd（坎德拉），1cd=1Im/sr。发光强度Iv是光度量中最基本的单位。6. （简）卤钨循环的过程：卤钨灯点燃后，高温下卤族元素的化合物释放出溴或碘蒸气，灯丝蒸发出的钨分子在温

2、度较低的泡壳附近与溴或碘化合，形成的卤化钨在灯泡内扩散。当扩散到高温灯丝附近，又分解，使钨分子又有很高的机率重新粘在灯丝上。7. （简）气体放电原理：气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。8. （选）（1）低压汞灯：主要辐射253.7nm的紫外光，用作紫外光源。当在其管壳外再加一个管壳，壳内壁涂以合适的荧光粉时，253.7nm紫外光激发荧光粉发出可见光，这就是荧光灯。照明用的日光灯就是荧光灯中的一种。（2）高压汞灯

3、：汞蒸气气压为(110)x105Pa。由于气体密度大，除了受激原子的辐射发光，还有电子与离子的复合发光，激发原子与正常原子的碰撞发光；因而，可见区的辐射明显加强，呈带状光谱，红外区出现弱的连续光谱。在高压汞灯外再加一个荧光壳，就成为高效照明光源。（3）球形超高压汞灯：汞蒸气气压为1-20MPa，电子与离子复合发光、激发原子与正常原子碰撞发光更加强烈。光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。球形超高压汞灯中，两电极相距在毫米量级，如图1.9所示。球形超高压汞灯亮度高，是很好的点光源。（4）氙灯：氙灯的发光材料是惰性气体氙。高压和超高压的惰性气体放电，气体原子被激发到很高的能级并大量电

4、离。复合发光和电子减速发光大大加强，在可见区形成很强的连续光谱。光谱分布与日光最为接近，色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命可达1000h。氙灯可分为长弧氙灯（电极间距为15130cm，细管形，工作气压为105Pa）、短弧氙灯（电极间距在数毫米量级，工作气压为12MPa，是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。）和脉冲氙灯（管内气压在100Pa以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间（10-910-12s）内发出很强的光。脉冲氙灯广泛用于固体激光器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。）。9. 激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的。1

5、0. 激光器特点：高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性。11. (重点)光和原子的三级跃迁：（1） .受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。受激吸收特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程（2）.自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程（3）.受激辐射：当受到外来的能量的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发

6、射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射的特点：当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 12. 产生激光的条件：1）合适的工作物质（能实现粒子数反转；具有合适的能级结构（亚稳态能级）2）具有外界泵浦（外界激励）3）需要激光谐振腔4） 起振条件阈值条件GG05）稳定振荡条件增益饱和效应13. 染料激光器的主要优点是：输出激光波长可以在很宽范围内调谐；有极好的光束质量；激光谱线宽度很窄，可达10-50MHz线宽。14. （空）电子共有化运动：原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去。15. （空）能带：共有化运动使

7、得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异。它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带。16. （选）（1） N型半导体:掺人施主杂质的半导体材料中，自由电子的浓度将高于空穴的浓度。（2） P型半导体:掺入受主杂质的半导体材料中，空穴的浓度将高于自由电子的浓度。17.PN结加上正向电压时，正向电压基本上加在结区，使势垒降低。18. LED（发光二极管）与LD（半导体激光器）的根本区别在于：LED没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的荧光，是非相干光；而LD的发光基于受激辐射，发出的是相干光激光。1.4一支H。-Ne激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为

8、2mW。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。1.7分别说明热辐射光源和气体放电光源的发光机理。二者的主要区别是什么？答：热辐射光源是使发光物体升温到足够高而发光的光源，这类光源在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态，辐射光谱是连续光谱。 气体放电光源是气体在电场作用下激励出电子和离子，离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。受

9、激电子返回基态时，就辐射出光子来。 二者的区别：热辐射光源在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态；气体放电光源是气体在电场作用下激励出电子和离子，受激电子从高能态返回基态时辐射出光子。1.8激光有哪些特点？激光器的基本结构如何？答：激光的特点：高亮度、高方向性、高单色性、光度的时间空间相干性。激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。1.9试叙述半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异，以及各自特性上的差异。答：LED 与半导体激光器 LD 的主要区别：LED 没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的是荧光；而 LD 的发光基于受激辐射，发出的是相干光。二者特性的主要区别： LD

10、LED光谱特性激光；谱线宽度在 nm 量级荧光；谱线宽度几十 nm P-I 特性有阈值电流没有阈值电流调制特性调制频率到 10GHz调制频率 50-140MHz第2章 光辐射的调剂1. 光辐射调制是用数字或模拟信号（调制信号）改变光波波形的幅度、频率或相位，使其按调制信号规律变化的过程，可以比非调制光具有更高的抗干扰能力。2. 光辐射的调制方法有内调制和外调制。外调制器，比较成熟的有电光调制、声光调制、磁光调制等。3. （选）（1） .电光效应：在外加强电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折射性质的晶体，它的双折射性质也要发生变化。（2） .线性电光效应（一次电光

11、效应）或泡克尔斯效应(Pockels)：折射率的改变与所加外电场的大小成正比的电光效应。（3） .二次电光效应或克尔(Kerr)效应：在强电场作用下会变成光学各向异性体，且外加电场引起的折射率的改变与电场强度的平方成正比的电光效应。3. （空）产生纵向电光效应时，半波电压：，为KDP负单轴晶体的光折射率，为电光系数。4. （空）产生横向电光效应时，半波电压：，为KDP负单轴晶体的光折射率，为电光系数。5. 因为光强与光的振幅平方成正比例，所以电光强度调制也称为电光振幅调制。6. 光波导通过在电光材料（通常是铌酸锂）衬底上扩散折射指数较高的一种材料（通常是钛）构成波导。在波导两边做上电极，调制电

12、压即通过电极加到光波导上。由于光波导宽度极窄，远小于长度L，所以半波电压很小，可为几伏。这种调制器的频率可达100GHz。在波导的输入、输出端，光通过单模光纤与波导耦合。7. 超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，这就使得介质折射率也发生相应的变化。8. 声光效应：受超声波作用的介质相当于一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长s。当光波通过此介质时，将被光栅衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。9. 声光效应分为两种类型：拉曼一奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射。10. 磁光效应主要有法拉第效应和克尔效应。1

13、1. 法拉第效应是光波通过磁光介质、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，称为磁致旋光。12. （填）磁致旋光的方向决定于磁场方向，而与光的传播方向无关，称为非互易性。以顺着磁场方向为基准，光矢顺时针旋转的叫右旋(K0)，对应介质称为正旋体；光矢逆时针旋转的叫左旋(K10 5 V/cm)， 光生载流子在这种强电场中得到极大的加速，碰撞晶 格原子使其电离，更多的粒子在电场中再获能再碰撞 ，引发出PN结内电流急剧倍增(内增益)，即雪崩反应使光电流放大。36.光电三极管和普通晶体管类似，也有电流放大作 用。只是它的集电极电流不受基极控制，而是受光控制。工作时各电极所加的电压与普通晶体

14、管相同，即需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。37.光电三极管的工作有两个过程：一是光电转换，二是光电流放大。 以3DU型为例: 光照射在集电结上，产生电子-空穴对。由于集电结反向偏置，光生电子漂移到集电极，空穴流向基区，这就是 光电流 。光生电动势使基极与发射极间电压升高，于是发射极便有大量电子经基极流向集电极，使光电流得以放大。放大原理与普通晶体管相同， 被放大（晶体管电流放大系数）倍。 由此可见，光电三极管的光电转换部分 在集-基结内进行，而集电极、基极、发射极又构成一个有放大作用的晶体管 。因此，NPN光电三极管可用图所示的简化模型表示，它由一个硅光电二极管 和普通晶体管组合而成。 3

15、8.控制电路 ：作光控继电器用的光电三极管工作在亮、暗两个状态，要求两个状态下转换的电信号差别大，使继电器灵敏而准确地工作。无基极引出线的硅光电三极管的突出特点是无光照时集电极电流基本为零。故多用作光控继电器. （1） 电流控制 ：光电三极管的光电流是晶体管的基极电流。在亮、暗情况下光电流显著改变，使晶体管分别处于饱和、截止状态，使J动作。 （2） 电压控制 光电三极管与R 1 分压，控 制晶体管基极电压，使晶 体管导通或截止。39.光电耦合器是发光器件和光接收器件组合的一种器件。40. （空）光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。41.暗电流一般指各电极都加上正常工作电压以后，阴 极无光照

16、时阳极的输出电流。阳极暗电流限制了可测的直流光通量的最小值，同时它也是产生噪声的重要因素 。光电倍增管中产生的暗电流的因素较多，例如，阴极 和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；阳极或其它电极 的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射等。作业：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=5x103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？解：3.10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？答：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

17、它只能探测调制辐射。3.11某测辐射热计的热导是，吸收系数为，求吸收5W辐射功率后产生的温升。若电阻温度系数求吸收辐射所引起的的电阻相对变化率。3.15光敏电阻用作光控继电器。如图给出一个光控开关电路。光敏电阻为Cds器件。晶体管的值为，继电器K的吸合电流为10mA,。考虑弱光照情况，计算继电器吸合许多大照度？（测得L=0 lx时，;L=100 lx时，,其中）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）光电池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

18、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。（2） 开路电压、短路电流与光照度的关系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（3） 光电池的输出与所接的负载有关系的原因：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

19、空穴不能移过PN结，使对外输出的光电流减少。3.202CR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？答：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？答：（1）PIN管工作原理：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

20、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。（2）雪崩光电二极管工作原理：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

21、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；（3） PIN管的频率特性比普通光电二极管好的原因：PIN光电二极管在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体间夹着一层比较厚的本征半导体I。又由于工作在反偏状态，随着反偏电压增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。第4章 光电成像器件1. 光电成像器件：指能够输出图像信息的一类器件。2. 摄像管：能够输出视频信号的真空光电管。摄像管按光电变换形式进行分类，基本上分为两类：一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称为光电发射型摄像管。另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称为视像管。

22、3. 摄像管的作用是把入射的光学图像转换为视频信号并输出，它应具有三个基本功能：光电变换、光电信号存储和扫描输出。4. 被摄物经物镜成像在光电靶上。光电靶既能完成光电变换又能存储信号。5. 任何一幅图像都可以分成许多小的像点，通常称之为像素或像元。6. 在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极接成通路。这个像素（光电二极管结构）的光电流由PN，流过负载RL，产生负极性图像电压信号输出（信号阅读），同时扫描电子束使P层扫描面的电位降至阴极电位（图像信号擦除）。这样，电子束在从左至右、由上而下地对正电位图像的顺序扫描中，就把随空间、时间而变化的图像信息转换成随时间变化的电信号，这就是视频

23、信号。7. ：电荷耦合器件（）8. 的突出特点：以电荷作为信号。9. 的基本功能是信号电荷的产生存储传输和检测。10. 在器件的中间是一个光敏元组成的线阵。每个光敏元是一个光敏二极管，接收光信号，作光电转换，是线阵的一个像素。光敏元的两侧是用作存储光生电荷的电容阵列。11. 的基本结构：在型（或型）硅单晶的基本结构：在型（或型）硅单晶的衬底上生长一层很薄的，再在上淀积具有一定形状的金属铝（或多晶硅）电极。一般层厚度约为，铝电极之间的间隙约为，每个电极与其下面的层和单晶构成结构。12. 的存储功能工作原理：在型硅电极上加正偏压（在型硅衬底的加负偏压）。电场穿过薄层，排次型硅中的多数载流子空穴，在下形成耗尽区（无载流子的本征区）。当电极上电压增加，达到阀值电平以上时，耗尽区进一步向体内延伸，并将型半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，产生反型层。由于半导体表面电势为正，所以，耗尽区对少数载流子（电子）来说像一个“阱”，称为势阱，能起到收集电子的作用：所加偏压越大，势阱就越深，储存电子的能力就越大。13. 技术可以将图像传感器阵列、驱动和