光电检测习题解答-1教材

1、光电技术光电技术综合习题解答综合习题解答 一、单项选择题一、单项选择题 在光电倍增管中，产生光电效应的是（ ）。A阴极B阳极C二次发射极 D光窗 光电二极管的工作条件是（ ）。A加热 B加正向偏压C加反向偏压D 零偏压光电技术光电技术综合习题解答综合习题解答 一、单项选择题一、单项选择题 在光电倍增管中，产生光电效应的是（A）。A阴极B阳极C二次发射极 D光窗 光电二极管的工作条件是（C）。A加热 B加正向偏压C加反向偏压D 零偏压 辐射通量，光通量，发光强度，光照度的单位分别为（ ）。(A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明(C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方

2、米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光辐射下，半导体的电导率增加的现象属于（ ）。(A)外光电效应 (B)光热效应(C)光电导效应 (D)光生伏特效应 辐射通量，光通量，发光强度，光照度的单位分别为（A）。(A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明(C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光辐射下，半导体的电导率增加的现象属于（ C ）。(A)外光电效应 (B)光热效应(C)光电导效应 (D)光生伏特效应二二 填空题填空题1 描述光电探测器光电转化能力的是 量子效率 。2 任何物质，只要温度高于绝对零度，都具有发射辐射

3、的能力。3 氦氖激光器以 直流 电源驱动。 4 发光二极管是 注入式电致发光器件 器件。 7 光伏器件有光伏工作模式和光导工作模式两种工作模式。三三 简答题简答题1、 掺杂对半导体导电性能的影响是什么？答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。 2、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？答：光电倍增管由光入射窗、光电阴极，电子光学输入系统(光电阴极到第一倍增极D1之间的系统)、二次发射倍增系统

4、及阳极等构成。工作原理：光子透过入射窗入射到光电阴极K上。此时光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。gEgEeVm 241.3、半导体发光二极管的发光原理？答：半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则

5、可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度，即4、简述注入式半导体激光器的发光过程。答：注入式半导体激光器的工作过程是，加外电源使PN结进行正偏置。正向电流达到一定程度时，PN结区即发生导带对于价带的粒子数反转。这时，导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，往返于半导体之间。通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光放大）。受激辐射出来的光子又会进

6、一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射。如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐振腔两端发射出激光。只要外电源不断的向PN结注入电子，导带对于价带的粒子数反转就会继续下去，受激辐射即可不停地发生，这就是注入式半导体激光器的发光过程。9、简述光电耦合器件的电流传输比与晶体管的电流放大倍数的区别？答：晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即大；光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子是与光激发出的空穴相复合而成为光复和电流，可用IF表示， 为光激发效率（它是发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数）。一般光激发效率比较低，所以IF大于IC。即光电耦合器件在不加复合放大三

7、极管时， 小于1。1、在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为0.5 cm2，若照度计测得的最大照度为100(lx)，试求 1、 标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？2、钨丝灯所发出总的光通量为多少？解：解：首先计算光电探头对标准钨丝灯所张的立体角 再计算光电探头所接收的光通量 v=EvS=1000.5 cm2=5.010-3(lm) 因而可以计算出灯在该方向上的发光强度Iv Iv=v/=5.010-3/1.2510-5=400(cd) )sr(1025. 12105 . 05242rA标准钨丝灯在整个球面空间各向同性发光，因此，灯所发出的光通量为 )lm(500010

8、25. 14100 . 5453vvAE2 2、某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328m的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为0.96，设光速C= 3108m/s，普朗克常数 h = 6.62610-34js ，氦氖激光的视见函数V(6328) = 0.268， 试求：（1）幕的光照度为多少lx？ （2）幕的反射出射度为多少lx？ （3）幕每秒钟接收多少个光子？解：解：先将氦氖激光器输出单色辐射的辐射功率转换为光通量v v=KmV()e=6830.268610-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度应为 Ev=v/S=1.098/0.810-4=1

9、.37104 (lx)幕的反射光照度为 Evr=r Ev=0.961.37104 =1.32104 (lx)幕每秒钟接收的光子为 1683436ee1091. 110310626. 6106106328. 0hchN（个/秒）3 3 、在如图所示的恒流偏置电路中，已知Re=3.3k，UW=4V，Ubb=12V；光敏电阻为RP，当光照度为30lx时输出电压为6V，80 lx时为9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变） 光敏电阻 试求： 输出电压为8V时的照度为多少lx ？ 解：解：首先看稳压二极管是否工作在稳压状态，9.8(mA)820412bwbbwRUUI稳压二极管工作在稳压区；

10、 再求流过恒流偏置的光敏电阻的电流Ip, Ip =Ie=(Uw Ube)/Re =1(mA)DWRRpRUUbbbe0计算在不同照度下光敏电阻的阻值光照度为30lx时, R1=(UbbUo1)/ Ip=6( k);光照度为80lx时, R2=(Ubb Uo2)/ Ip=3( k);光照度为E3时, R3=(Ubb Uo3)/ Ip=4( k);7 . 0lglglglg1221EERR由于且，光敏电阻在30到100lx之间的值不变 lgE3=( lg3- lg4)/0.7+lg80=1.7246 E3=53（lx）4、在如图所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为

11、6V，设Rb=1k，RC=510, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为450lx时输出电压为8V,试计算：输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500lx间的值不变）为多少lx？ 照度到500lx时的输出电压为多少？DWRRcRUUbbbp0解解 分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值R1，则 )mA(92. 3510101210cbb1RUIDWRRcRUUbbbp0k4 . 1

12、92. 37 . 067 . 01W1IUR同样,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为7.8(mA)8Icbb2RUR2=680 由于光敏电阻在500到100lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为 66. 0lglglglg1221EERR当输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值为R3，则 (mA)88. 59cbb3RUIR3=900 代入值的计算公式便可以计算出输出电压为9V时的入射照度E366. 0lglglglg2332EERR292. 20.66lglglglg3223RREEE3=196(lx) 由值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出

13、电流I4为 R4=214 I4=24.7(mA)而此时的输出电压UO为 UO=UbbI4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7V。 光电子发射探测器5、设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6lm左右，阳极电阻Ra=82k，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解解 (1) 首先计算供电

14、电源的电压根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，阳极电流应不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此时，PMT的增益G应为 56min1002. 11024439. 2KaIIG由于 ，N=8，因此，每一级的增益=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益与极间电压UDD有， ，可以计算出=4.227时的极间电压UDD 0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU总电源电压Ubb为 Ubb=（N+1.5）UDD=741V NG

15、56min1002. 11024439. 2KaIIG 设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，则 IRi=500A因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。(2) 计算偏置电路电阻链的阻值(3) 输出信号电压的稳定度最高为 %056. 0%01. 087 . 07 . 0bbbbUUnUU 6 6、光电倍增管、光电倍增管GDB44FGDB44F的阴极光照灵敏度为的阴极光照灵敏度为0.5A/lm0.5A/lm，阳极灵敏度为阳

16、极灵敏度为50A/lm50A/lm，要求长期使用时阳极允许电流限，要求长期使用时阳极允许电流限制在制在2A2A以内。求（以内。求（1 1）阴极面上允许的最大光通量。）阴极面上允许的最大光通量。（2 2）当阳极电阻为）当阳极电阻为75K75K时，最大的输出电压。时，最大的输出电压。 （3 3）若已知该光电倍增管为）若已知该光电倍增管为1212级的级的CsSbCsSb倍增极，其倍倍增极，其倍增系数增系数 , ,计算它的供电电压。计算它的供电电压。 （4 4）当要求输出信号的稳定度为）当要求输出信号的稳定度为1%1%时，求高压电源电时，求高压电源电压的稳定度。压的稳定度。 7 . 02 . 0DDU

17、 解解 (1)(1)阴极面上允许的最大光通量阴极面上允许的最大光通量)lm(10450102/ 86AamVmSI(2)(2)最大的输出电压最大的输出电压VRIULao15. 0107510236maxmax(3)(3)供电电压供电电压86101105 . 050KASSGCsSbCsSb倍增极材料的增益倍增极材料的增益与极间电压与极间电压U UDDDD有有0.7DD)(2 . 0UV892 . 07 . 0DDUNGN N=12=12，每一级的增益，每一级的增益=4.642=4.642总电源电压总电源电压U Ucccc为为 Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V %1DDDDooUUK

18、nGGUU(4) (4) 输出信号电压的稳定度最高为输出信号电压的稳定度最高为 %119. 0127 . 01%1DDDDUU光生伏特器件7、已知某光电三极管的伏安特性曲线如图已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通所示。当入射光通量为正弦调制量量为正弦调制量v,=55 +40sint lm时，今要得到时，今要得到5V的输出电压，的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。输入与输出信号间的相位关系。 解 : 首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值 max=55+40=95 lm min=5540=15 lm在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。 再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即 Uce=2U14V 根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“A”并做垂线交横轴于“C”点