光電信息技術(shù)-第三章答案-有部分錯誤

1、第三章1簡述四種光電效應(yīng). 答：1.外光電效應(yīng)。在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子，用此原理制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光電倍增管、真空光電管、充氣光電管等。 2.光電導(dǎo)效應(yīng)。在入射光線的作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料的電阻率減小?；谶@種原理的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻等。 3.光伏效應(yīng)。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。以PN結(jié)為例，由于光學(xué)照射PN結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下分別向N和P區(qū)，從而對外形成光生電動勢。基于該效應(yīng)制成的光電信息轉(zhuǎn)換器件有光

2、電池、光敏二極管、光敏三極管等。 4.光電熱效應(yīng)。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流，如熱釋電、碲鎘汞（CMT）等，這類器件成為熱電探測器。2光電信息轉(zhuǎn)換器件的主要特性中，光譜特性與頻率特性有何區(qū)別？答：光譜特性：對相同的入射光功率，光電流I與入射光波長的關(guān)系I=F()。 頻率特性：假定其他條件不變，光電流I與入射光調(diào)制頻率f的關(guān)系I=F(f)。3光電倍增管的電子光學(xué)系統(tǒng)任務(wù)是什么？答：1.通過對電極結(jié)構(gòu)的適當(dāng)設(shè)計，使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，使下一級的收集率接近于1。 2.使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上時所經(jīng)歷的時間盡可能相同，使渡越時間差異最小。4

3、光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。5說出下面兩圖中右圖的優(yōu)點(diǎn) 答：左圖中，當(dāng)入射光通量變化時，會引起I和V0的同時變化，使整個系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。右圖為恒流偏置電路。由于采用穩(wěn)壓管D，故Vb不變，Ic也不變，達(dá)到橫流的目的，這時，入射光通量的變化僅引起電壓V0的變化。6（P265.29）如右圖所示，設(shè)光敏電阻的暗阻為108歐，亮阻為104歐，E=12V，為使使其輸出電壓U的變化最大，求：（1）R及最大的輸出電壓變化U。（2）若光敏電阻的最大耗散功率為100mW，它的極限電壓為100V，求

4、容許的最大E為多少伏？答： （1） （2） 7畫出光電池帶負(fù)載時的等效圖，說明負(fù)載太大時的后果。 答：當(dāng)RL0時，當(dāng)U繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時（RL非常大時），U就不會再增大，此時，PN結(jié)的rD變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流I幾乎全部流向二極管，即： IID 這時，在負(fù)載RL上除有少量的電流維持PN結(jié)的導(dǎo)通電壓U外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。8硒光電池與硅光電池中，哪個在人的視覺范圍內(nèi)？答：硒光電池9PIN管和APD管的頻率特性為什么比普通的光敏二極管好？答：PIN管和APD管都是減少零電場P區(qū)和N區(qū)厚度而增加耗盡層厚度，使光生載流子的運(yùn)動時間大大縮短，從而提高了頻率特性。10

5、分析右圖的測量原理。答：11畫出熱釋電的典型輸出電路。答：12下圖熱釋電防盜報警器的電路圖，分析其電路工作原理。答：檢測放大電路：檢測放大電路由熱釋電信息轉(zhuǎn)換器及鋁箔放大器A1、A2等組成。R2為熱釋電的負(fù)載（RL）。來自熱釋電的信號經(jīng)C2耦合到A1上。運(yùn)放A1組成第一級濾波放大電路，它是一個低頻放大倍數(shù)約為AF1=R6/R4=27的低通濾波器，其截止頻率為f01=1/2R6C4=1.25Hz。A2也是一個低通放大器，其低頻放大倍數(shù)約為AF2=R10/R7=150。其截止頻率為f02=1/21/2R10C8=0.23Hz。經(jīng)兩極放大后，0.2Hz左右的信號被放大到4000倍以上。 比較器電路：

6、調(diào)節(jié)Rp，使比較器同相端電壓在2.5-4V左右變化。在無報警信號輸入時，比較器反相端電壓大魚同相端，比較器輸出為低電平。當(dāng)有人入侵使，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為高電平，LED亮，當(dāng)人體運(yùn)動時，則輸出一串脈沖。 驅(qū)動電路：VT1、555I和VT2組成驅(qū)動電路。當(dāng)A端輸入一個脈沖時，C12將少量充電，若沒有再來脈沖，則C12將通過R17放電；若有人在報警區(qū)內(nèi)移動，則會產(chǎn)生一系列脈沖，使C12不斷充電，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定電壓時，VT1導(dǎo)通而輸出低電平。這個低電平輸入到由555I組成的單穩(wěn)態(tài)電路的2腳，使555I出發(fā)，3腳輸出高電平，從而使VT2導(dǎo)通，使繼電器吸合，從而控制警報器。單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時間由R19及C13決定

7、，調(diào)節(jié)R19可改變報警的時間。 延時電路：555II組成上電延時電路。當(dāng)接通電源的瞬間，555II的2、6腳處于高電平（C14）來不及充電，其3腳輸出為低電平，3腳與555I的4腳相連，所以剛通電瞬間，555I的4腳為低電平，單穩(wěn)態(tài)電路不能工作，即上電時不會報警。延時的時間決定于C14及R21。在這一段延時時間內(nèi)，若有人在報警區(qū)內(nèi)移動也不能報警，防止自己人沒走開就報警。延時結(jié)束后，555II的3腳為高電平，555I即能正常工作，從而使整個系統(tǒng)工作在監(jiān)視狀態(tài)。 電路調(diào)整：調(diào)制電位器RP，可調(diào)整報警器的靈敏度；調(diào)整R19，可調(diào)節(jié)報警時間的長短。13何為PSD？分析下圖的工作原理。答：PSD是一種對

8、其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件。既當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應(yīng)輸出不通的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點(diǎn)在PSD的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān)。工作原理：當(dāng)入射光照到PSD光敏面上某一點(diǎn)時，在入射位置產(chǎn)生了與光能成比例的電荷，此電荷作為光電流通過電阻層由電極輸出。假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為I0，信號電極上的光電流分別為I1和I2,（假設(shè)負(fù)載電阻RL相對于R1、R2可以忽略）,則：式中L為PSD中點(diǎn)到信號電極的距離，x為入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離I0=I1+I2 14描述CC

9、D 的MOS光敏元工作原理答：一般都以硅作為半導(dǎo)體襯底，在其上熱生長一層二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀積金屬層。因?yàn)樗怯山饘伲∕）氧化物（O）半導(dǎo)體（S）三層所組成，故稱MOS結(jié)構(gòu)。 以P型襯底為例,加正電壓時,空穴被排斥，形成一“耗盡區(qū)”（俗稱“表面勢阱”，其深度近似與電壓成正比），電子被吸引耗盡區(qū)。光照時，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子-空穴對，電子被勢阱收集，空穴被排出耗盡區(qū)。勢阱吸收的光生電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。一個MOS結(jié)構(gòu)單元稱為一個光敏單元或一個像素。 15結(jié)合教材圖3.2.2-2及圖3.2.2-3說明CCD移位寄存器工作原理圖3.2.2-2 CCD的電荷位移答： 16結(jié)合教材圖3

10、.2.2-4及圖3.2.2-5說明CCD光敏單元中的電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移的工作過程 。圖3.2.2-4 光敏區(qū)向移位寄存器轉(zhuǎn)移電荷答：從t0到t2光敏單元a1中的電荷已轉(zhuǎn)移至a1極下的勢阱。同理，光敏單元a1、 a2、an中的電荷同時轉(zhuǎn)移至a1、 a2、an極下的勢阱。由于t2以后轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當(dāng)于把光敏區(qū)和位移寄存器之間的“門”阻塞。自t3以后，光敏單元又重新進(jìn)行光累積（積分），位移寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；an、bn、cn等進(jìn)行移位（電荷傳輸），各自執(zhí)行自己的任務(wù)。光敏單元a1中的電荷不移至b1和c1極下，是靠制造適當(dāng)?shù)臏系篮蚥1、c1極上加適當(dāng)?shù)碾妷簛韺?shí)現(xiàn)

11、的。當(dāng)t=t1時，轉(zhuǎn)移電極Z上加正脈沖，這是Ua=U，Ub=0，Uc=0，即這時b1、c1極下不產(chǎn)生勢阱，因此a1中的電荷沿溝道轉(zhuǎn)移至a1極下的勢阱。17右圖所示為用二塊CCD測量大物體直徑D的示意圖。設(shè)所用的CCD有N0個光敏元，每個光敏元的大小為13，CCD間的距離固定為L， CCD1的計數(shù)值為N1，CCD2的計數(shù)值為N2，寫出D值表達(dá)式.答： DL13N1+13(N0-N2)18 試用光電耦合器組成如下邏輯電路（畫出電路圖）。 （參見課本P131）19增量式編碼器的原理是光柵的莫爾條紋。20二進(jìn)制編碼方式中，碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為M=2n 。 21 簡要說出循環(huán)碼盤的三個特點(diǎn)答：（1）相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位是變化的（2）最外層的碼字寬比二進(jìn)制的大一倍（3）高位二種碼的取值相同，用C表示二進(jìn)制，R表示循環(huán)碼，i表示碼道數(shù)，i1，代表最里層（高位）的碼道。22右圖為格雷碼圖案（白的表示透光