玉林師院光電子學期末復習

1、玉林師院光電子學期末復習第一章1. 為了衡量光源和光電探測器的性能，需要對光輻射進行定量描述，故引入輻射度學與光度學。2. 光譜光視效率或視見函數(shù):人眼對各種光波長的相對靈敏度.3. 人眼只能感知波長在0.380.78m之間的輻射，故稱這個波段的光為可見光。（對綠光最靈敏，紅光、藍光次之）。4. 光通量：單位時間內(nèi)通過某截面的所右光波長的光能稱為光通量，單位為(流明)。5. 發(fā)光強度：，單位為cd（坎德拉），1cd=1Im/sr。發(fā)光強度Iv是光度量中最基本的單位。6. （簡）鹵鎢循環(huán)的過程：鹵鎢燈點燃后，高溫下鹵族元素的化合物釋放出溴或碘蒸氣，燈絲蒸發(fā)出的鎢分子在溫度較低的泡殼附近與溴或碘化

2、合，形成的鹵化鎢在燈泡內(nèi)擴散。當擴散到高溫燈絲附近，又分解，使鎢分子又有很高的機率重新粘在燈絲上。7. （簡）氣體放電原理：氣體在電場作用下激勵出電子和離子，成為導電體。離子向陰極、電子向陽極運動，從電場中得到能量，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子，也會使氣體原子受激，內(nèi)層電子躍遷到高能級。受激電子返回基態(tài)時，就輻射出光子來。8. （選）（1）低壓汞燈：主要輻射253.7nm的紫外光，用作紫外光源。當在其管殼外再加一個管殼，殼內(nèi)壁涂以合適的熒光粉時，253.7nm紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)出可見光，這就是熒光燈。照明用的日光燈就是熒光燈中的一種。（2）高壓汞燈：汞蒸氣氣壓為(110)x

3、105Pa。由于氣體密度大，除了受激原子的輻射發(fā)光，還有電子與離子的復合發(fā)光，激發(fā)原子與正常原子的碰撞發(fā)光；因而，可見區(qū)的輻射明顯加強，呈帶狀光譜，紅外區(qū)出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜。在高壓汞燈外再加一個熒光殼，就成為高效照明光源。（3）球形超高壓汞燈：汞蒸氣氣壓為1-20MPa，電子與離子復合發(fā)光、激發(fā)原子與正常原子碰撞發(fā)光更加強烈。光譜線較寬，形成連續(xù)背景，可見區(qū)偏藍，紅外輻射增強。球形超高壓汞燈中，兩電極相距在毫米量級，如圖1.9所示。球形超高壓汞燈亮度高，是很好的點光源。（4）氙燈：氙燈的發(fā)光材料是惰性氣體氙。高壓和超高壓的惰性氣體放電，氣體原子被激發(fā)到很高的能級并大量電離。復合發(fā)光和電子減速發(fā)光

4、大大加強，在可見區(qū)形成很強的連續(xù)光譜。光譜分布與日光最為接近，色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽”，壽命可達1000h。氙燈可分為長弧氙燈（電極間距為15130cm，細管形，工作氣壓為105Pa）、短弧氙燈（電極間距在數(shù)毫米量級，工作氣壓為12MPa，是很好的日光色點光源，常用于電影放映、彩色攝影、照相制版、模擬日光等場合。）和脈沖氙燈（管內(nèi)氣壓在100Pa以下，由高壓電脈沖激發(fā)產(chǎn)生光脈沖，在極短的時間（10-910-12s）內(nèi)發(fā)出很強的光。脈沖氙燈廣泛用于固體激光器的光泵、照相制版、高速攝影和光信號源等。）。9. 激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成的。10. 激光器特點：高亮度、

5、高方向性、高單色性和高度的時間空間相干性。11. (重點)光和原子的三級躍遷：（1） .受激吸收：處于低能級E1的原子受到外來光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程。受激吸收特點：處于低能級E1的原子受到外來光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程（2）.自發(fā)輻射：高能級的原子自發(fā)地從高能級E2向低能級E1躍遷，同時放出能量為的光子自發(fā)輻射的特點：各個原子所發(fā)的光向空間各個方向傳播，是非相干光。下圖表示自發(fā)輻射的過程（3）.受激輻射：當受到外來的能量的光照射時，高能級E2上的原子受到外來光的激勵作用向低能級E1躍遷，同時發(fā)射一個與外來光子完全相同的

6、光子。受激輻射的特點：當外來激勵光子能量為高低兩能級能量差時，才能發(fā)生受激輻射。受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同， 12. 產(chǎn)生激光的條件：1）合適的工作物質(zhì)（能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；具有合適的能級結(jié)構(gòu)（亞穩(wěn)態(tài)能級）2）具有外界泵浦（外界激勵）3）需要激光諧振腔4） 起振條件閾值條件GG05）穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng)13. 染料激光器的主要優(yōu)點是：輸出激光波長可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧；有極好的光束質(zhì)量；激光譜線寬度很窄，可達10-50MHz線寬。14. （空）電子共有化運動：原來圍繞一個原子運動的電子，現(xiàn)在可能轉(zhuǎn)移到鄰近原子的同一軌道上去。15. （空）能帶：共有化運動使得本來處于同一能量的電子發(fā)

7、生了能量的微小差異。它們的勢能具有晶格的周期性。因此，晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上分裂成能帶。16. （選）（1） N型半導體:摻人施主雜質(zhì)的半導體材料中，自由電子的濃度將高于空穴的濃度。（2） P型半導體:摻入受主雜質(zhì)的半導體材料中，空穴的濃度將高于自由電子的濃度。17.PN結(jié)加上正向電壓時，正向電壓基本上加在結(jié)區(qū)，使勢壘降低。18. LED（發(fā)光二極管）與LD（半導體激光器）的根本區(qū)別在于：LED沒有諧振腔，它的發(fā)光基于自發(fā)輻射，發(fā)出的熒光，是非相干光；而LD的發(fā)光基于受激輻射，發(fā)出的是相干光激光。1.4一支H。-Ne激光器（波長為632.8nm）發(fā)出激光的功率為2mW。該激光束的平面發(fā)散

8、角為1mrad，激光器的放電毛細管直徑為1mm。求出該激光束的光通量、發(fā)光強度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m遠的白色漫反射屏上，該漫反射屏的反射比為0.85，求該屏上的光亮度。1.7分別說明熱輻射光源和氣體放電光源的發(fā)光機理。二者的主要區(qū)別是什么？答：熱輻射光源是使發(fā)光物體升溫到足夠高而發(fā)光的光源，這類光源在輻射過程中不改變自身的原子、分子的內(nèi)部狀態(tài)，輻射光譜是連續(xù)光譜。 氣體放電光源是氣體在電場作用下激勵出電子和離子，離子向陰極、電子向陽極運動，從電場中得到能量，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子，也會使氣體原子受激，內(nèi)層電子躍遷到高能級。受激電子返回基態(tài)時，就輻射出

9、光子來。 二者的區(qū)別：熱輻射光源在輻射過程中不改變自身的原子、分子的內(nèi)部狀態(tài)；氣體放電光源是氣體在電場作用下激勵出電子和離子，受激電子從高能態(tài)返回基態(tài)時輻射出光子。1.8激光有哪些特點？激光器的基本結(jié)構(gòu)如何？答：激光的特點：高亮度、高方向性、高單色性、光度的時間空間相干性。激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。1.9試敘述半導體發(fā)光二極管和半導體激光器在結(jié)構(gòu)上的差異，以及各自特性上的差異。答：LED 與半導體激光器 LD 的主要區(qū)別：LED 沒有諧振腔，它的發(fā)光基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光；而 LD 的發(fā)光基于受激輻射，發(fā)出的是相干光。二者特性的主要區(qū)別： LD LED光譜特性激光；譜線寬

10、度在 nm 量級熒光；譜線寬度幾十 nm P-I 特性有閾值電流沒有閾值電流調(diào)制特性調(diào)制頻率到 10GHz調(diào)制頻率 50-140MHz第2章 光輻射的調(diào)劑1. 光輻射調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號（調(diào)制信號）改變光波波形的幅度、頻率或相位，使其按調(diào)制信號規(guī)律變化的過程，可以比非調(diào)制光具有更高的抗干擾能力。2. 光輻射的調(diào)制方法有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。外調(diào)制器，比較成熟的有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制等。3. （選）（1） .電光效應(yīng)：在外加強電場的作用下，本來是各向同性的介質(zhì)也可以產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而本來有雙折射性質(zhì)的晶體，它的雙折射性質(zhì)也要發(fā)生變化。（2） .線性電光效應(yīng)（一次電光效應(yīng)）或泡克爾斯效應(yīng)(Po

11、ckels)：折射率的改變與所加外電場的大小成正比的電光效應(yīng)。（3） .二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)：在強電場作用下會變成光學各向異性體，且外加電場引起的折射率的改變與電場強度的平方成正比的電光效應(yīng)。3. （空）產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)時，半波電壓：，為KDP負單軸晶體的光折射率，為電光系數(shù)。4. （空）產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)時，半波電壓：，為KDP負單軸晶體的光折射率，為電光系數(shù)。5. 因為光強與光的振幅平方成正比例，所以電光強度調(diào)制也稱為電光振幅調(diào)制。6. 光波導通過在電光材料（通常是鈮酸鋰）襯底上擴散折射指數(shù)較高的一種材料（通常是鈦）構(gòu)成波導。在波導兩邊做上電極，調(diào)制電壓即通過電極加到光波導上。

12、由于光波導寬度極窄，遠小于長度L，所以半波電壓很小，可為幾伏。這種調(diào)制器的頻率可達100GHz。在波導的輸入、輸出端，光通過單模光纖與波導耦合。7. 超聲波是一種縱向機械應(yīng)力波（彈性波），它在聲光介質(zhì)中傳輸時會引起介質(zhì)密度發(fā)生疏密交替的變化，這就使得介質(zhì)折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。8. 聲光效應(yīng)：受超聲波作用的介質(zhì)相當于一個衍射光柵，光柵的間距等于聲波波長s。當光波通過此介質(zhì)時，將被光柵衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨超聲場變化。9. 聲光效應(yīng)分為兩種類型：拉曼一奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射。10. 磁光效應(yīng)主要有法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)。11. 法拉第效應(yīng)是光波通過

13、磁光介質(zhì)、平行于磁場方向傳播時，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱為磁致旋光。12. （填）磁致旋光的方向決定于磁場方向，而與光的傳播方向無關(guān)，稱為非互易性。以順著磁場方向為基準，光矢順時針旋轉(zhuǎn)的叫右旋(K0)，對應(yīng)介質(zhì)稱為正旋體；光矢逆時針旋轉(zhuǎn)的叫左旋(K10 5 V/cm)， 光生載流子在這種強電場中得到極大的加速，碰撞晶 格原子使其電離，更多的粒子在電場中再獲能再碰撞 ，引發(fā)出PN結(jié)內(nèi)電流急劇倍增(內(nèi)增益)，即雪崩反應(yīng)使光電流放大。36.光電三極管和普通晶體管類似，也有電流放大作 用。只是它的集電極電流不受基極控制，而是受光控制。工作時各電極所加的電壓與普通晶體管相同，即需要保證集電極反

14、偏置，發(fā)射極正偏置。37.光電三極管的工作有兩個過程：一是光電轉(zhuǎn)換，二是光電流放大。 以3DU型為例: 光照射在集電結(jié)上，產(chǎn)生電子-空穴對。由于集電結(jié)反向偏置，光生電子漂移到集電極，空穴流向基區(qū)，這就是 光電流 。光生電動勢使基極與發(fā)射極間電壓升高，于是發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，使光電流得以放大。放大原理與普通晶體管相同， 被放大（晶體管電流放大系數(shù)）倍。 由此可見，光電三極管的光電轉(zhuǎn)換部分 在集-基結(jié)內(nèi)進行，而集電極、基極、發(fā)射極又構(gòu)成一個有放大作用的晶體管 。因此，NPN光電三極管可用圖所示的簡化模型表示，它由一個硅光電二極管 和普通晶體管組合而成。 38.控制電路 ：作光控繼電

15、器用的光電三極管工作在亮、暗兩個狀態(tài)，要求兩個狀態(tài)下轉(zhuǎn)換的電信號差別大，使繼電器靈敏而準確地工作。無基極引出線的硅光電三極管的突出特點是無光照時集電極電流基本為零。故多用作光控繼電器. （1） 電流控制 ：光電三極管的光電流是晶體管的基極電流。在亮、暗情況下光電流顯著改變，使晶體管分別處于飽和、截止狀態(tài)，使J動作。 （2） 電壓控制 光電三極管與R 1 分壓，控 制晶體管基極電壓，使晶 體管導通或截止。39.光電耦合器是發(fā)光器件和光接收器件組合的一種器件。40. （空）光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。41.暗電流一般指各電極都加上正常工作電壓以后，陰 極無光照時陽極的輸出電流。陽極暗電

16、流限制了可測的直流光通量的最小值，同時它也是產(chǎn)生噪聲的重要因素 。光電倍增管中產(chǎn)生的暗電流的因素較多，例如，陰極 和靠近于陰極的倍增極的熱電子發(fā)射；陽極或其它電極 的漏電；由于極間電壓過高而引起的場致發(fā)射等。作業(yè)：3.9探測器的D*=1011cmHz1/2W-1,探測器光敏器的直徑為0.5cm，用于f=5x103Hz的光電儀器中，它能探測的最小輻射功率為多少？解：3.10應(yīng)怎樣理解熱釋電效應(yīng)？熱釋電探測器為什么只能探測調(diào)制輻射？答：熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)象成為熱釋電效應(yīng)。由于熱釋電信號正比于器件的溫升隨時間的變化率，因此它只能探測調(diào)制輻射。3.1

17、1某測輻射熱計的熱導是，吸收系數(shù)為，求吸收5W輻射功率后產(chǎn)生的溫升。若電阻溫度系數(shù)求吸收輻射所引起的的電阻相對變化率。3.15光敏電阻用作光控繼電器。如圖給出一個光控開關(guān)電路。光敏電阻為Cds器件。晶體管的值為，繼電器K的吸合電流為10mA,?？紤]弱光照情況，計算繼電器吸合許多大照度？（測得L=0 lx時，;L=100 lx時，,其中）3.17敘述光電池的工作原理以及開路電壓、短路電流與光照度的關(guān)系。為什么光電池的輸出與所接的負載有關(guān)系？（1）光電池工作原理光電池是一個簡單得PN結(jié)。當光線照射PN結(jié)時，PN結(jié)將吸收入射光子。如果光子能量超過半導體材料的禁帶寬度，則由半導體能帶理論可知，在PN結(jié)

18、附近會產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使N區(qū)聚集大量的電子而帶上負電，在P區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電勢，成為光生電動勢。如果用導線或電阻把N區(qū)和P區(qū)連接起來，回路中就會有光電流I流過，電流方向是由P區(qū)流向N區(qū)。（2） 開路電壓、短路電流與光照度的關(guān)系光電池的電動勢即開路電壓與照度成非線性關(guān)系，在照度光電池的短路電流與照度成線性關(guān)系（3） 光電池的輸出與所接的負載有關(guān)系的原因：當負載電阻較大時，光電流流過負載電阻時，必然使外加電場增大，由于外電場的方向是與內(nèi)電場方向相反，故要削弱內(nèi)電場的強度，從而使光生的電子和空穴不能移過PN結(jié)，使對外

19、輸出的光電流減少。3.202CR和2DR，2CU和2DU在結(jié)構(gòu)上有何主要區(qū)別？2DU光電二極管增設(shè)環(huán)極的目的是什么？畫出正確接法的線路圖，使用時環(huán)極不接是否可用？為什么？答：硅光電池按基底材料不同分為2CR和2DR。2CR為N型單晶硅，2DR為P型單晶硅。按襯底材料的不同，硅光電二極管分為2CU和2DU兩種系列。2DU光電二極管增設(shè)環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。3.21說明PIN管、雪崩光電二極管的工作原理和各自特點。PIN管的頻率特性為什么比普通光電二極管好？答：（1）PIN管工作原理：PIN管加反向電壓時，勢壘變寬，在整個本征區(qū)展開，耗盡層寬度基本上是I區(qū)的寬度，光照到I層，激發(fā)光生電

20、子空穴時，在內(nèi)建電場和反向電場作用下，空穴向P區(qū)移動，電子向N區(qū)移動，形成光生電流，通過負載，在外電路形成電流。特點：頻帶寬，線性輸出范圍寬。優(yōu)點：1，工作電壓比較低，一般為5V。2，探測靈敏度比較高；3，內(nèi)量子效率較高；4，響應(yīng)速度快；5，可靠性高；6，PIN管能低噪聲工作。（2）雪崩光電二極管工作原理：當光電二極管的PN結(jié)上加相當大的反向偏壓時，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個很高的電場，它足以使在該強電場區(qū)產(chǎn)生和漂移的光生載流子獲得充分的動能，電子空穴與晶格原子碰撞，將產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對在強電場作用下，分別向相反的方向運動，在運動過程中，又可能與原子碰撞，再一次產(chǎn)生新的電子空穴對。如

21、此反復，形成雪崩式的載流子倍增。特性：靈敏度高，響應(yīng)速度快；（3） PIN管的頻率特性比普通光電二極管好的原因：PIN光電二極管在摻雜濃度很高的P型半導體和N型半導體間夾著一層比較厚的本征半導體I。又由于工作在反偏狀態(tài)，隨著反偏電壓增大，結(jié)電容變得更小，從而提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。第4章 光電成像器件1. 光電成像器件：指能夠輸出圖像信息的一類器件。2. 攝像管：能夠輸出視頻信號的真空光電管。攝像管按光電變換形式進行分類，基本上分為兩類：一類是利用外光電效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，稱為光電發(fā)射型攝像管。另一類是利用內(nèi)光電效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，統(tǒng)稱為視像管。3. 攝像管的作用是把入射

22、的光學圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號并輸出，它應(yīng)具有三個基本功能：光電變換、光電信號存儲和掃描輸出。4. 被攝物經(jīng)物鏡成像在光電靶上。光電靶既能完成光電變換又能存儲信號。5. 任何一幅圖像都可以分成許多小的像點，通常稱之為像素或像元。6. 在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極接成通路。這個像素（光電二極管結(jié)構(gòu)）的光電流由PN，流過負載RL，產(chǎn)生負極性圖像電壓信號輸出（信號閱讀），同時掃描電子束使P層掃描面的電位降至陰極電位（圖像信號擦除）。這樣，電子束在從左至右、由上而下地對正電位圖像的順序掃描中，就把隨空間、時間而變化的圖像信息轉(zhuǎn)換成隨時間變化的電信號，這就是視頻信號。7. ：電荷耦合器件

23、（）8. 的突出特點：以電荷作為信號。9. 的基本功能是信號電荷的產(chǎn)生存儲傳輸和檢測。10. 在器件的中間是一個光敏元組成的線陣。每個光敏元是一個光敏二極管，接收光信號，作光電轉(zhuǎn)換，是線陣的一個像素。光敏元的兩側(cè)是用作存儲光生電荷的電容陣列。11. 的基本結(jié)構(gòu)：在型（或型）硅單晶的基本結(jié)構(gòu)：在型（或型）硅單晶的襯底上生長一層很薄的，再在上淀積具有一定形狀的金屬鋁（或多晶硅）電極。一般層厚度約為，鋁電極之間的間隙約為，每個電極與其下面的層和單晶構(gòu)成結(jié)構(gòu)。12. 的存儲功能工作原理：在型硅電極上加正偏壓（在型硅襯底的加負偏壓）。電場穿過薄層，排次型硅中的多數(shù)載流子空穴，在下形成耗盡區(qū)（無載流子的本征區(qū)）。當電極上電壓增加，達到閥值電平以上時，耗盡區(qū)進一步向體內(nèi)延伸，并將型半導體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，產(chǎn)生反型層。由于半導體表面電勢為正，所以，耗盡區(qū)對少數(shù)載流子（電子）來說像一個“阱”，稱為勢阱，能起到收集電子的作用：所加偏壓越大，勢阱就越深，儲存電子的能力就越大。13. 技術(shù)可以將圖像傳感器