光电技术习题及总复习

主要内容第一、习题（布置作业中的计算题）第二、总复习（基本概念、证明和基本设计内容）

1-1.一支气体激光器发出的波长为640nm，功率为2mW，如果这支气体激光器的平面发散角为1mrad，激光器的半径是0.5mm，已知视见函数V(λ)在λ=640nm时为0.175。求:

1）光通量第1章习题

(2).该激光束投射在10m远的白色漫反射屏上,漫反射屏的反射比为0.85,求屏上的光亮度

(1).这支气体激光束的光通量,发光强度,光亮度,光出射度.

本题1问的关键:辐射通量和光通量的转换关系要清楚；立体角概念要清楚；立体角与平面角的关系？一、光电技术习题3）光亮度4）光出射度2）发光强度

本题2问的关键:要搞清楚透明的反射屏和不透明的反射屏所对应的立体角是不一样的.πr102

该白色漫反射屏是不透明的,其上的光斑是一个漫反射源,因漫反射光源的视亮度与θ无关,各方向都相同,因此该漫反射源以π的立体角出射光通量0.85Фv,故视亮度r10=θR=10-3×10=10-2(2).该激光束在10m远的屏上形成的光斑面积为如果该屏是透光的，该屏上的光亮度是多少？第二种解法:参看书上7页

因为激光束投射在10m远的白色漫反射屏上,因此我们看到的是漫反射屏的亮度,它不是光源发出的亮度,因此,确切的说应当是视亮度.对于不透明的漫反射屏,视亮度计算公式为:对于透明的漫反射屏,视亮度计算公式为:

1-2.一只白灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面2m的高处，用照度计测得下方地面上的照度为30lx。求出该白灯的光通量？

所以:解：光通量:

本题的关键是:要搞清楚光通量和光照度之间的关系.第3章习题

3-5.一理想的运算放大器组成的放大电路，RF=1.5MΩ其电路的作用是对光电二极管的光电流进行线性放大，如果光电二极管未受光照时，运算放大器的输出电压为0.6V；如果光电二极管受到光照时，运算放大器的输出电压为2.6V。+-UOUbR1RF

本题的关键:要搞清楚放大电路是一个什么样的放大电路?要搞清楚暗电流的含义?要搞清楚光照和灵敏度的关系?求：（1）光电二极管的暗电流是多少？（2）如果光电二极管的光电灵敏度Sg为0.8µA/lx，光照是多少？解:该放大器为反相比例放大器（或者利用虚短和虚断的概念），所以

（1）无光照时（2）有光照时因为:所以:

注意:反相放大器,因此输入与输出有个”-”号,但是,由于Ub<0,所以,负号消失

本题的关键:要搞清楚亮电导,暗电导和光电导的含义?要搞清楚亮电导,暗电导和光电导之间的关系?要搞清楚光照和灵敏度的关系?

4-3.已知CdS光敏电阻的最大功耗为32mW，光电导灵敏度为Sg=0.5×10-6S/lx，暗电导gd=0S，若给CdS光敏电阻加偏置电压16V，这时入射到CdS光敏电阻上的极限照度为多少勒克斯？第4章习题

解:

4-4.有一个光敏电阻R和2kΩ的负载电阻，串接在电压为12V的电源上，无光照时负载上的输出电压为20mV，有光照时负载上的输出电压为2V。求：

1）暗电流

暗电阻解:求光敏电阻所受的光照度？

2）若光敏电阻的光电灵敏度为:1）光敏电阻的暗电流和亮电阻值；12VCdS亮电流亮电阻2）光敏电阻所受的光照度

12VCdS

本题的关键:要搞清楚亮电导,暗电导和光电导之间关系?要搞清楚光照和灵敏度的关系?搞清楚电阻和电导之间的关系?

4-5.已知CdS光敏电阻的暗电阻Rd=10MΩ,在照度为100lx时亮电阻R=5kΩ,用此光敏电阻控制继电器,见下图,如果继电器线圈的电阻为4kΩ，继电器的吸合电流为2mA,问需要多少照度才能吸合继电器?如果要在400lx时继电器才能吸合,那么此电路需作何改进?jCdS12V解1.Rd=10MΩgd=0.1×10-6SR=5kΩg=0.2×10-3S=200×10-6Sgp=g-gd≈200×10-6Ssg=gp/E≈2×10-6s/lx当继电器的吸合电流为2mA时:g=I/V=2×10-3/4=0.5×10-3Sg=Sg·E+gd=500×10-6SE≈250lx2.当E=400lx时g=Sg·E+gd≈800×10-6SR≈1.25k此时,驱动电流为:I=12/(4+1.25)k=2.29mA>2mA

因此,为了在400lx时,继电器才能吸合,电路应串联一个电阻R串12/(5.25+R串)=2mAR串=0.75k

本题的关键是:要知道放大倍数和电压之间的关系,并由此推导出系统测试精度和电源稳定度的关系?第5章习题

5-6.现有12级倍增极的PMT，若要求正常工作时的放大倍数的稳定度为1%，那么电源电压的稳定度是多少？

K=0.7~0.8,N=12

解:

5-7.已知GDB-423型光电倍增管的光电阴极的面积为2cm2，阴极灵敏度Sk=25µA/lm，光电倍增管的放大倍数为105，阳极额定电流为20µA。求允许的最大光照度为多少？

解:

本题的关键:要知道光电倍增管放大倍数的定义和表达式？要知道阳极灵敏度定义和表达式？阴极灵敏度定义和表达式?二、光电技术总复习(一).基本概念

2.真空光电器件是一种基于（）效应的器件，它包括（和）。4.硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为（），在零偏置条件下的工作模式为（）。5.变像管是一种能把各种（）辐射图像转换成为（）图像的真空光电成像器件。1.光电效应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括（）和（）。3.光电导器件是基于半导体材料的（）效应制成的，最典型的光电导器件是（）。13.光源按光波在时间、空间上的相位特征分，可分为（）和（）光源。12.光导纤维简称光纤，光纤由（）、（）及（）组成。11.像增强器是一种能把（）增强到可使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（）。8.光源的颜色，包括两方面含义（）和（）。9.常用的光电阴极有（）和（），正电子亲和势材料光电阴极有哪些？6.电荷耦合器（CCD）电荷转移的沟道主要有两大类，一类是（）,另一类是（）。7.光电子技术是（）和（）相结合而形成的一门技术10.根据衬底材料的不同，硅光电二极管可分为（）型和（）型两种。14.光纤的色散有材料色散、（）和（）。15.按照光纤在检测系统中所起的作用来分，光纤传感器可分为（）和（）两种；16.光纤的数值孔径表达式为（），它是光纤的一个基本参数，它反映了光纤的（）能力。18.根据衬底材料的不同，硅光电电池可分为（）型和（）型两种。17.真空光电器件是基于（）效应的光电探测器，它的结构特点是有一个（），其他元件都置于（）。19.根据衬底材料的不同，硅光电三极管可分为（）型和（）型两种。20.为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数V(λ)，视见函数有（）和（）。

21.什么是光电子技术?简述你对光电子技术发展史的理解？简述光电子技术主要研究什么？光电子技术以什么为特征？

22.什么是功能型光纤传感器？什么是非功能型光纤传感器？并举例说明？简述光纤温度、电流传感器工作原理。23.光电倍增管（PMT）由哪几部分组成？并说明电子光学系统的作用是什么？倍增极结构有几种形式，各有么特点？

PMT的工作原理?24.什么是慢电子束扫描？靶网电极的作用是什么？像管由哪几部分组成？成像的三个物理过程的理论依据各是什么？

25.什么是二次电子?并说明二次电子发射过程的三个阶段是什么？光电子发射过程的三步骤？26.简述Si-PIN光电二极管的结构特点，并说明Si-PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？简述双结硅色敏器件特点？21题27.简述常用像增强器的类型？并指出什么是第一、第二、第三和第四代像增强器？28.光源的光谱功率分为哪几种情况？画出每种情况对应的分布图？29.光电测量系统中的噪声可分为三类，简述这三类噪声？等效噪声功率的表达式（两个）？30.光和物质相互作用的三个过程是什么?产生激光的三个必要条件是什么？激光器的类型和激光的特性是什么？31.硅光电池最大的开路电压是多少？为什么它随温度升高而降低？32.什么是光纤的归一化频率参数？判断单模与非单模光纤的条件？33.什么是“胖0”电荷？什么是“胖0”工作模式？“胖0”电荷的数量是多少？引入“胖0”电荷的优缺点？34.光电探测器的特性参数有？为什么光敏电阻随光照增加而降低？35.CCD由几部分组成，并说明每部分的作用？为什么说CCD是非稳态器件？CCD能否工作其电极间距为？37.以P型硅和金属铯为例，简述负电子亲和势的形成过程。36.画出P型硅为衬底的CCD单元结构图，标出各部分名称。并说明当栅极电压UG<0，UG>0，UG>UTH时的工作状态？对于CCD来说电荷注入方式有电注入和光注入，什么是电注入？什么是光注入？38.画出CdSe靶的结构图，并说明每层的作用？40.什么是MCP？MCP工作原理？什么是光纤面板？光纤面板有哪几种玻璃组成的组成？每层作用？38题36题39.从传输模式角度考虑，光纤分为哪几种？从波长角度考虑光纤分为哪几种？三.作业中的计算题

END二.证明与设计题

1.证明光从真空中进入光纤时，其数值孔径的表达式为：

2.简述PSD的工作原理，分别以PSD的中心和第1电极为原点时，求出各自光点的位置表达式？

4.用两个槽型光电开关设计可识别移动方向的计数器；5.用CdS光敏电阻设计照相机的自动曝光控制电路；6.用CdS光敏电阻设计路灯自动控制电路。3.由普朗克公式推导出斯蒂芬-玻尔兹曼公式；

亚硒酸镉(CdSeO3)层是由CdSe

氧化而成,是一层绝缘体,有利于降低暗电流,但不影响光电灵敏度.光As2S3SnO2玻璃CdSeCdSeO3电子束N+N画出CdSe靶的结构图，并说明每层的作用？CdSe靶原理图硒化镉靶有四层结构玻璃透明的导电层SnO2沉积在玻璃板上,作信号电极.

As2S3层是靶的扫描面,是在高空状态下气湘沉积而成,呈玻璃态,厚0.2微米,是一个高阻层,禁带宽度为2.3eV,具有很高的电阻率,.其作用是防止电子进入靶内,形成对电子的阻挡层,并且承担电荷的积累和储存.

CdSe层是N型半导体,它与呈N+型透明的导电层SnO2层构成对空穴的阻挡层.CdSe层是异质结CdSe靶的基体,厚2微米,是完成光电转换的光敏层,其禁带宽度为1.7eV,具有良好的光电导特性返回1).当UG<0，为多数载流子的积累状态UG<0当金属电极上加一个负电压时,电场的方向?当金属电极上加一个负电压时,电场的作用?结果:(1).半导体表面可能移动的电子被排斥;(2).半导体内可能移动的空穴被吸引到界面;

在P-Si和SiO2的界面形成了多数载流子的积累层,这种状态为积累状态2).当UG>0时,为多数载流子的耗尽状态UG>0当金属电极上加一个正电压但尚处于小电压时,电场的方向?当金属电极上加一个正电压时,电场的作用?结果:(1).半导体表面可能移动的空穴被排斥;(2).半导体表面下方一定宽度内,留下一层离子化的受主离子形成的空间电荷区,为多子耗尽区;该区域对电子来说是一个势能很低的区域,称为势阱

在界面形成了一层由离子化的受主离子形成的空间电荷区,这种状态为多子的耗尽状态3).当UG>UTH时,为反型状态UG>0当金属电极上加的正电压继续增加时,电场的方向?大小?当金属电极上加的正电压增加时,电场的作用?结果:(1).半导体表面吸引了一薄层电子,与P型多子反型,此时的反型状态为弱反型状态,此时电压为UTH,反型层与半导体内的P型导电区之间仍是耗尽层.(2).金属电极上加的正电压>UTH,界面下电子的浓度和衬底的多子浓度相等此时的反型状态为强反型状态,MOS结构达到稳定状态;

在界面形成了一层由电子反型层,这种状态为反型状态这时如果没有外界注入电子,反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对,这种过程较慢,所需时间为存储时间(也称弛豫时间)注意:这个时间为存储时间(也称弛豫时间),只有在这个时间内可以对耗尽区存取信号电荷.这个时间大约为0.1~10S2.瞬态情况当金属电极