简答题-光电检测技术期末整理

1、雪崩光电二极管的工作原理〔当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压〔100~200V)时，在结区产生一个很强的电电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将连续下去，使PN结内电流急剧增加，到达载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应〕2、光生伏特效应与光电导效应的区分和联系〔效应是多数载流子导电的光电效应〕什么是敏感器敏感器与传感器的区分和联系〔将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进展转换。区分：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量〕发光二极管的工作原理。〔PN结四周，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结P区的空穴和N区的PN结四周产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的肯定复合能量，这个能量会以热能、光能、或局部热能和局部光能的形式辐射出来。说明光子器件与热电器件的特点。光子器件光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸取辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒PIN型的光电二极管的构造、工作原理及特点〔P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体IN型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+P+杂质集中，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸取系数很小，入射光很简洁进入材料内部被充分吸取而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度供给了光电转换效率，从而使P层和NI层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移重量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点：PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。缺点:I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安〕热辐射检测器通常分为哪两个阶段哪个阶段能够产生热电效应。〔第一步：是热探测器吸取红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；其次步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。其次阶段〕8、光电检测系统由哪几局部组成作用分别是什么1.论述光电检测系统的根本构成，并说明各局部的功能〔10分〕下面是一个光电检测系统的根本构成框图：(4分)(4分)被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸取、折射、干预、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特将被测量转换为光参量〔振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等。光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学息，以满足光电转换的需要。光电转换：该环节是实现光电检测的核心局部。其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号〔电流、电压或频率，以利于承受目前最为成熟的电子技术进展信号的放大、处理、测量和掌握等。电信号的放大与处理：这一局部主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。存储、显示与掌握系统：很多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，马上处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。9、简述光电检倍增管的构造组成和工作原理〔5局部组成。@1光照耀到阴极转换成电子，出射到下一电极。@2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。@.3经过假设干次倍增，到达阳极，形成信号电流〕10CCD器件的构造和工作原理〔MOS电容器件+输入输出端=CCDCcd的工作原理：由目标放射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单元上；在耗尽层中或距耗尽层为肯定范围内的光生电子快速被势阱收集包，存储在像敏单元中。电荷包的大小与光强和积分时间成正比。电荷包在时钟脉冲作用下，由转移存放器读出。外表传输，最终从输出二极管送出视频信号〕11、简述热电偶的工作原理〔热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象〕ii－ip D

i ip s0

(eqV/KT1)SE

Eis0

(eqV/KT1)VOC

kTq

IIln I0

〔分〕 当Ip》Io时，V (kT/q)ln(I /I)OC p 0Lp当R＝0〔即特性曲线与电流轴的交点〕时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表示，所以＝I＝·E 3〔4分〕Lp从式〔2〕和〔3〕可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与光照度的对数成正比。4.光伏探测器的工作模式分为哪几种为什么〔分类依据〕他们的主要区分〔10分〕答:光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式则由外偏压回路打算。在零偏压的开路状态，PN结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成P端为负，N端为正的电压时。无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看，PN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以称为光导工作模式。主要区分：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。论述题〔共26分〕而中频电流输出对应的电功率为：，其中RL为光电探测器的负载电阻。为什么说光外差检测方式是具有自然检测微弱信号的力量〔而中频电流输出对应的电功率为：，其中RL为光电探测器的负载电阻。所以，这里的横线是对中频周期求平均。从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程；而光频外差探测的光电“转换”ωS为载频的光频信息转换到以ωIF为“转换”换增益。为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。为此令把〔1〕和〔2〕式代入〔3〕中得到：PL>>PS因此M>>1,M的大小和PSPL=，那么在不同的PS值下，M1所示：下，外差探测器表现出格外高的转换增益。例如，在量级时，从表1下，外差探测器表现出格外高的转换增益。例如，在量级时，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高说，光外差探测方式具有自然的探测微弱信号的力量。〔每题6分，共0也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点对工作电源有什么要求半导体激光器〔LD〕工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。半导体p-n结在内建电场下到达平衡；当外加正偏压时，外加电压减弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的集中运动加强，构成少数载流子的注入，从p-n来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反响，实现定向放射而输出激光。特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从mwmwWHe-Ne激光器差。对工作电源的要求是稳定2、光源选择的根本要求有那些不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。正确估量，并按估量来选择光源。出光进展采样，然后再反响掌握光源的输出。④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条根本要求外；还有一些具体的要求。空间分布等等，这些方面都应当依据测试系统的要求给以满足。3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。假设靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要留意安全。的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。5、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需在哪种偏置状态为什么由于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-np-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。四、论述题〔45分〕在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。表达两种方法的特点及它们之间的联系〔10分〕0 0 2UR上取得电U，如图a所示，另一种是从二极管两端取得电压U，如图b0 0 0 LL0 CLL对于图a〕所示的电路，光电信号是直接取出的，即U=IR，而对于b〕图，光电信号是间接取出的，U=U-IR0 LL0 CLL两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的； (3分)这两种方法只适合照耀到P—N结上的光强变化缓慢和恒定光的状况这时间电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。 (2分)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的恒定光时不利的。 (2分)1在光度单位体系中，根本单位是如何定义的。什么是光视效能在光度体系中，被选作根本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉〔1分。540

的单色辐射，假设在一给定方向上的辐射强度为1W 683 sr，则该光源在该方向上的发光强度为1坎德拉〔2分。光度量和辐射度量之间可以用光是效能与光视效率联系起来光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量K定义为同一波长下测得的光通量Kv与辐射通量的比之，即

e瓦特。4说明光子效应和光热效应各自特点。光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸取〔2分〕特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快〔1分〕光热效应：探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的转变，而是把吸取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的电学性质或其他物理性质发生变化〔2分〕特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢〔1分〕〔〕306分〔要求简洁扼要〕1光电探测器性能参数包括哪些方面〔2分，具体参146分〕择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。2光子效应和光热效应(2分,2分,对两种效能的探测器时间特性能进展简洁说明得2分)状态转变的大小。由于，光子能量是h ，h是普朗克常数,

是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性转变，而是把吸取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的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。InSbPbS〔1分，写出光敏电阻46分〕〔1〕PbS近红外辐射探测器,1～μm2μm,〔暗阻〕1MΩ,200μs〔2〕InSb77k下,噪声性能大大改善,峰值响应波长为5μm,响应时间短〔50×10-9s〕为什么说光电池的频率特性不是很好〔得分点：236分〕答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的缘由:第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;其次,光电池工作在第四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此光电池的频率特性不好.1、温度变化与自发极化强度有何关系ΔTPs的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP为热释电系数矢量，一般有三个重量Pi〔i=，3〕Pi=dPsi∕dT(ck)Ps轴垂直的外表内消灭的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，1——1000s之间。2、热电势探测器能否测量直流信号为什么答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被〔或人体所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为的红外光照摄热释电晶>1度Ps的两端面间消灭沟通电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负RdT∕dtPsdPs∕dtAAdPs∕dt比。3、硅光电池为什么使用梳状电池外表接触电阻。4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极答：无光照时反向电阻很大〔MΩ级〕PNPN结空间电荷区〔耗尽层〕产生光生电子空穴对时它们与P区、NPN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。光敏二极管的缺点：暗电流较大为了削减无光照时反向漏电流〔暗电流〕的影响有些光敏二极管〔2DU型〕在制作PN结的同时还做出一个环形的集中层引出的电极称为环极〔暗电流直接从环极流过而不再经过负极从而可以削减负极与正极之间的暗电流。5、两种高速的光电二极管的构造特点和原理〔PIN、APD〕答：PIN光电二极管构造特点：P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I增加I1〕由于I区相对的P区和N局部电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大〔2〕又由于PINPIN流加速因而大幅度削减了载流子在构造内漂移时间元件的响应速度加快电路特点：反偏电压高APD光电二极管构造特点：在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在P从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批生电子6、光纤传感器种类答：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利感器。另一类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感器，它是利用其他敏感元件感受被测也称为传光型光纤传感器。8、光电导效应：在物质受到辐射光的照耀后，材料的电学性质发生了变化〔电导率转变、放射电子、产生感应电动势等〕的现象称为光电效应。外光电效应：是指受到光辐射的作用后，产生电子放射的现象。现象。小的现象。PNPN结或金属半导体接触的两侧产生光电动势。mEq使材料产生光电导效应现象光热效应：某些物质受到光照后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点消灭温差而在两结点间产生电动势回路产生电流空穴，从而增加材料电导率的现象10、光电管、光电倍增管的光谱特性取决于什么、构造和原理图。光电倍增管：光谱响应宽特别是对红光和红外光。工作原理电流也随光信号而变化到达把小的光信号变成大的电信号的目的。构造：光阳极K，倍增极D，阳极A11、为什么功能型光纤传感器在构造上是连续的〔尺寸和外形相关变化，光纤中的光波参量受到相应掌握即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制，身的构造参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生了某种变化，携带了待测信息13、PIN结光电二极管增加了一层I区有什么优点〕由于I区相对于P区增大，这样展宽了光电转换的有效工作区，使灵敏度增大〔2〕又由于PIN结光电二极管PIN了载流子在构造漂移时间，元件的响应速度加快14、为什么说光纤传感器不受电磁场干扰塑料制成的电绝缘耐腐蚀的传输媒质，并且安全牢靠15、试画出激光多普勒光纤测速系统的原理图，说明其工作原理答：图中He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，分束镜把激光分成两路，在两束光经会聚透镜L1把它们会聚成焦点，在焦点四周两束光形成涉场、流体流经这一范围时，流体中的微小颗粒对光进展散射聚焦透镜L2把这些散射光聚焦在光电倍增管上，产生包含流速信息的光电信号，经适当的电子线路处理可测出流体的流速17、光敏电阻原理，如何构成它的亮电阻、暗电阻是什么级别、它们之比是什么范围UbbIp流过，用检流计可以测到该电流，转变照耀到光敏电阻上的光度量，觉察流过光敏电阻的电流Ip将发生变化，说明光敏电阻的阻值Ω〔暗与亮〕1〔5分〕简述光电三极管的工作原理。光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。就是将两个pn结组合起来使用。以NPN型光电三极管为例，基极和集电极之间处于反偏状态，内建电场由集电极指向基极。光照耀p区，产生光生载流子对，电子漂移到集电极，空穴留在基极，使基越强，由此形成的光电流越2〔5分〕简述声光相互作用中产生布喇格衍射的条件以及布喇格衍射的特点。L较大，光束与声波波面间以肯定的角度斜入射。(3分)特点：衍射光各高级次衍射光将相互抵消，只消灭0级和+1级〔1级〕衍射光，合理选1级〔1级2分。3〔5分〕什么是热释电效应热释电器件为什么不能工作在直流状态热释电效应：热释电晶体吸取光辐射温度转变，温度的变化引起了热电晶体的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起外表电荷的变化，这就是热释电效应〔3分〕i dT依据热释电效应，热释电探测器的电流和温度的变化满足 dt，假设照耀光是恒定的，那么温度T是恒定值，电流为零，所以热电探测器是一种沟通器件〔2分〕什么是内光电效应〔5分〕光照耀在半导体材料上，能转变材料电导效应或产生光生伏特效应说出PINPIN管的频率特性比一般光电二极管好〔10分〕PINPN结外光生载流子的集中运动时间,P区与N区之间插入一层电阻率很大的I层、耗尽层厚度增加，增大了对光的吸取和光电变换区域，提高了量子效率。结电容小，增加了对长波的吸取，提高了长波灵敏度，可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。雪崩光电二极管掺杂浓度均匀,缺陷少,漏电流小,APD的构造设计，使它能承受高的反向偏PN结内部形成一个高电场区，结区产生的光生载流子受强电场的加速，将获得PNAPD10-15W、接近反向击穿。工作速度更高。PIN管由于增加了I层，使结变宽，结电容减小，因而时间常数变小，f=1/2πRC,所以频率特性好。试说明光伏效应原理〔6分〕PN结光伏效应―――PN