光電子技術(shù)測(cè)驗(yàn)卷二答案

1、光電子技術(shù)測(cè)驗(yàn)卷（二）一、填空題（ 20 分）1、在設(shè)計(jì)熱探測(cè)器時(shí)， 為改善對(duì)緩變信號(hào)的探測(cè)能力， 需 增大 其熱容量 H, 減少 其熱導(dǎo) G，而要改善對(duì)快速光信號(hào)的響應(yīng)特性，則需 減少 其熱 容量 H, 增大 其熱導(dǎo) G。2、光電探測(cè)器中主要的固有噪聲有 熱噪聲 、 散粒噪聲 、 產(chǎn)生 - 復(fù)合噪 聲 、 1/f 噪聲 、 溫度噪聲 。3、請(qǐng)將下列光電探測(cè)器按響應(yīng)時(shí)間由快到慢的順序依次排列： 光電二極 管； PIN 管；熱電偶；熱敏電阻；光電池。 （寫(xiě)序號(hào)） 、 、 、 。（熱敏電阻型探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間在1 10ms 之間，比光電探測(cè)器差。熱電偶型探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間達(dá) 30 50ms，響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)

2、。 ）4、0.5mW的光通量相當(dāng)于 0.3415 流明，當(dāng)這一光通量全部入射到 2cm2 的 光 電 池上 ， 光 電池 接 受 的 照 度 為 1707.5 勒 克 斯 。v( ) 683gV( )g e( )、判斷題（ 8 分）1、 F 2 、F 3、R三、簡(jiǎn)答題（ 30 分）1、寫(xiě)出歸一化探測(cè)率 D*的表達(dá)式，并說(shuō)明其物理意義 。（P.70 ）答： D1 NEP*Dg(Ad f )1/2它表示面積為 1cm2 的探測(cè)器上有 1W的入射功率，并用 1Hz 帶寬的放 大器測(cè)量時(shí)，探測(cè)器輸出的信噪比。2、比較光子探測(cè)器和光熱探測(cè)器在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。答： 光子效應(yīng)是指單個(gè)光

3、子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類(lèi)光 電效應(yīng)。 探測(cè)器吸收光子后， 直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。因?yàn)?，光子能量?hv ， h 是普朗克常數(shù) ,v 是光波頻率，所以，光子效應(yīng)就對(duì)光波頻率表現(xiàn) 出選擇性， 在光子直接與電子相互作用的情況下， 其響應(yīng)速度一般比較快。 光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接 引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變， 而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量， 引 起探測(cè)元件溫度上升 , 溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物 理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量 h v 的大小沒(méi)有直接

4、關(guān) 系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的 作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的 影響。 值得注意的是，以后將要介紹一種所謂熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于材料的 溫度變化率，比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并已獲得日益廣泛的 應(yīng)用。3、選用光電探測(cè)器的一般原則。 答：用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性匹配；考 慮時(shí)間響應(yīng)特性；考慮光電探測(cè)器的線(xiàn)性特性。4、光電耦合器件應(yīng)有哪三個(gè)工作環(huán)節(jié)，舉例說(shuō)明。 （P.114 ） 答：光電耦合器由一光發(fā)射管（發(fā)光二極管）和光接收管（光電二極管或 光電三極管）組成。（ 1） 在光發(fā)射管（輸入端）加上

5、信號(hào)，使得光發(fā)射管發(fā)光；（ 2） 光接收管接收光輻射，從而在輸出端輸出信號(hào)（當(dāng)然還需要外 電路）；（ 3） 使信號(hào)能夠通過(guò)耦合器，而輸入與輸出端沒(méi)有任何電、磁的聯(lián) 系，起到信號(hào)隔離作用。由于發(fā)射管與接受管之間保持有足夠 的電氣距離，其隔離電壓可以做得很高，一般在 2kV 以上，通 過(guò)光導(dǎo)纖維隔離的耦合器理論上隔離電壓可以做到無(wú)窮大。5、說(shuō)明 PIN 管的頻率特性為什么比普通光電二極管好。 （P.95 ） 答： PIN 光電二極管在參雜濃度很高的 P型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體間夾著一 層較厚的本征半導(dǎo)體 I 。又由于工作在反偏狀態(tài)，隨著反偏電壓的增大， 結(jié)電容變得更小，從而提高了 PIN 光電二極

6、管的頻率響應(yīng)。6、簡(jiǎn)述 PbO視像管的基本結(jié)構(gòu)和功能。 （P.130 ） 答：基本結(jié)構(gòu)為光電靶和電子槍?；竟δ埽汗怆娮儞Q、光電信號(hào)存儲(chǔ)、 掃描輸出。（ 1） 光電靶的一側(cè)為光敏層。由三層很薄的半導(dǎo)體材料組成。PbO靶具有 PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu)?？梢酝瓿蓛?nèi)光電效應(yīng)。（ 2） 工作時(shí)， 光電二極管結(jié)構(gòu)處于反向偏壓狀態(tài)。 圖像使得光電靶上各 點(diǎn)照度不同，在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)量的電子- 空穴對(duì)。在反向電場(chǎng)的作用下到達(dá)靶的兩側(cè)， 使得靶掃描面上的電位升高， 形成 與圖像明暗對(duì)應(yīng)的正點(diǎn)位圖像，這就是圖像的存儲(chǔ)。（ 3） 圖像信號(hào)的掃描輸出有電子槍發(fā)射掃描電子束來(lái)完成。 像素（光電 二極管結(jié)構(gòu)）的

7、光電流由 P 到 N，流過(guò)負(fù)載，產(chǎn)生負(fù)極性圖像電壓 信號(hào)（信號(hào)閱讀） ，同時(shí)掃描電子束使 P層掃描面降至陰極電位 （圖 像信號(hào)擦出） 。四、計(jì)算題（ 42 分）1. 3.2 節(jié)例題 3.11 某測(cè)輻射熱記的熱導(dǎo)Gt =6*10-6W/K，吸收系數(shù)=0.8 ，求吸收 5 W 輻射功率后產(chǎn)生的溫升。若電阻溫度系數(shù)T =-0.04K -1 ，求吸收輻射所引起的電阻相對(duì)變化率。T00Gt0.8 5 10 66 10 60.67KT T=-0.04 0.67=-0.02682、3.1 節(jié)例題 3.9探測(cè)器的 D*=1011cmgHz1/2/W，探測(cè)器光敏面直徑 0.5cm ，用于 f =5*10 3Hz

8、的光電儀 器中，它能探測(cè)的最小輻射功率為多少？ 解：1 NEP=DAD g fg（0.5 /2） 2 g5 g103D*10119.8 g10 13W3、3.3 （1）例題 3.14用 Cds 光敏電阻控制繼電器。 靈敏度 sd =2*10-6S/lx ，繼電器線(xiàn)圈電阻是 4K ，吸合電流是 2mA，使繼電器吸合所需的最小照度是多少？若 使繼電器在 200lx 時(shí)吸和，則需改變線(xiàn)圈電阻，問(wèn)此時(shí)繼電器電阻最 大為多少？（弱光照射條件） 。解：10-6）ULUk= （210-3）（410-3） =8VU=12-U k=4V ，帶入式得， L2 10 32 10 6 4250lxI p Sg U L

9、（ 2）p g 3U 12 （2 10 3） R4、3.3 （1）例題 3.15可得， R=3500光敏電阻可做光控繼電器。下圖光敏電阻為 CdS 器件。晶體管的 值為 50，繼電器 K 的吸合電流是 10mA ，Re=100 .考慮弱光照情況，繼 電器吸合需多大照度？（光敏電阻的靈敏度Sg=2*10-7S/lx，Ub=12V ）。解： G1=10-8，G2=210-5得到 Sg= GG2 G11002g10 7（s/lx）吸合時(shí)，Ic=10mA，10g10502g10 （4 A）Ie=（1+?）IB=51（210-4）=1.0210-2（A） Uk=UbUbe-Ue=12-0.6-100 （ 1.02 10-2）=10.38（ V ） 由 Ip=I B =SgU L 可得 L= IB96.3（ lx）Sg gU5、3.3 （3）例題 3.33GDB-423 型光電倍增管的光電陰極面積為2cm2 ，陰極靈敏度 Sk 為25 A/lm ，倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)為 105，陽(yáng)級(jí)額定電流為 20 A ，求允許的最大光照？解：電流增益 M 也是電壓的函數(shù)， M=10 = IA SAI k Sk代入 M， Sk，可得 SA=2.5A/lmSAI A IA 所以SgLLmax20 10 6