光電技術(shù)習(xí)題講解

1、光電技術(shù)習(xí)題講解 1-2一支氦-氖激光器（波長(zhǎng)為632.8nm） 發(fā)出激光的功率為2mW。該激光束的平面 發(fā)散角為1mrad,激光器的放電毛細(xì)管為 1mm。 求出該激光束的光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光亮度、 光出射度。 若激光束投射在10m遠(yuǎn)的白色漫反射屏上， 該漫反射屏的發(fā)射比為0.85，求該屏上的光 亮度。 3 22 5 112 2 ( )( )( )683 0.265 2 100.362 ( )( ) 2 2 (1 cos ) ( )0.362 1.15 10 2 (1 cos )2 (1 cos0.001) 1.46 10/ coscoscos0 ( )0.3 vme vv v v v vvv

2、 v v v K Vlm d I d SRh RR Icd dIII Lcd m dSSr d M dS 52 2 62 4.6 10/ 0.0005 lm m 2-4簡(jiǎn)述發(fā)光二極管的發(fā)光原理，發(fā)光二極 管的外量子效率與哪些因素有關(guān)？ 發(fā)光二極管的發(fā)光原理見(jiàn)課本P25 與射出的光子數(shù)、電子空穴對(duì)數(shù)、半導(dǎo)體材 料的折射率有關(guān) 2 2 2 2 2 2 100.0005( 6) 0.850.850.85 cos 0.85 155/ cos2 v vvv v vv v lmrmP dr MEL dSl r L ddM l Lcd m ddSd 2-5簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光器的工作原理，它有 哪些特點(diǎn)？對(duì)工作電

3、源有什么要求？ 利用半導(dǎo)體物質(zhì)(即利用電子)在能帶間躍遷發(fā) 光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反 射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、 反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半 導(dǎo)體激光器激光器優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕， 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，耗電少，效率高等特點(diǎn)。要求是 有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即要求必須滿足一定 的電流閾值條件。 3-5何謂“白噪音”？何謂“1/f噪音”？要降 低低電阻的熱噪音應(yīng)采用什么措施？ 答：白噪音：功率譜與頻率無(wú)關(guān)的噪音。 1/f噪音：功率譜與1/f成正比的噪音。 措施： 盡量選擇通帶寬度小的； 盡量選擇電阻值小的電阻； 降低電阻周圍環(huán)境的溫度。 3-6探測(cè)器的D*=1011cmHz

4、1/2W-1,探測(cè)器光 敏器的直徑為0.5cm，用于f=5x103Hz的光電儀器 中，它能探測(cè)的最小輻射功率為多少？ *1/2 1/2 * 2 10 * () 1 () () 2 3.1 10 d d e DD Af D NEP Af NEP D D f W D 3-9光電發(fā)射的基本定律是什么？它與光電 導(dǎo)和光伏特效應(yīng)相比，本質(zhì)的區(qū)別是什么？ 答：光電反射具有兩個(gè)基本定律： 第一定律：當(dāng)入射輻射的光譜分布不變時(shí)， 飽和光電流I與入射的輻射通量成正比。 第二定律：發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能隨入射 光子光頻率的增加而線性增加而與入射光的 強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 本質(zhì)區(qū)別： 光電導(dǎo)和光伏特效應(yīng)屬內(nèi)光電效應(yīng)，是光照

5、到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料由于光子的加入引起 載流子的濃度變化，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率或使產(chǎn) 生內(nèi)建電場(chǎng)。 光電發(fā)射是屬外電效應(yīng)，是光子和物質(zhì)材 料中的電子相互作用，光子能量足夠大，才 使電子獲得能量而逸出物質(zhì)表面。 4-1負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的能帶結(jié)構(gòu) 如何？它具有那些特點(diǎn)？ 表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降低到導(dǎo)帶 之下 . 特點(diǎn)：1.量子效率高 2.光譜響應(yīng)延伸到紅外，光譜響應(yīng)率均勻 3.熱電子發(fā)射小 4.光電發(fā)射小，光電子能量集中 4-2光電發(fā)射和二次電子發(fā)射兩者有何 不同？簡(jiǎn)述光電倍增管的工作原理。 光電發(fā)射是光轟擊材料使電子逸出，二次電 子發(fā)射是電子轟擊材料，使新的電子逸出。 工作原理見(jiàn)p68. 4

6、-8光電倍增管產(chǎn)生暗電流的原因有哪 些？如何減少暗電流？ 原因：1）熱電子發(fā)射 2）極間漏電流 3）殘余氣體的離子發(fā)射4）玻璃閃爍 5）場(chǎng)致發(fā)射 減少暗電流方法：1）直流補(bǔ)償 2）直流和鎖相放大 3）致冷 4）電磁屏蔽法 5）磁場(chǎng)散焦法 4-10 (a)畫出具有11級(jí)倍增極，負(fù)高壓1200V供電， 均勻分壓的光電倍增管的工作原理，分別寫 出各部分名稱及標(biāo)出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若該倍增管的陰極靈敏器Sk為20A/lm，陰 極入射的照度為o.1lx，陰極有效面積為 2cm2 ,各倍增極發(fā)射系數(shù)均相等（=4）， 光電子的收集率為0.98，各倍增極電子收集 率為0.95，試計(jì)算倍增系統(tǒng)的放

7、大倍數(shù)和陽(yáng) 極電流。 (c)設(shè)計(jì)前置放大電路，使輸出的信號(hào)電壓為 200mV,求放大器的有關(guān)參數(shù)，并畫出原理圖。 解:（a）如圖 （b）陰極電流： Ik=Sk=20 x10-60.1x2x10-4 =4x10-10A 倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù): M=Ip/Ik=0(x)11=2.34x106 陽(yáng)極電流：Ip=MIk=936 A (c) () 200 214 936 f o oL ff oopLpf LL f R V VR RR VVIRI R RR mv R A 5-2已知CdS光敏電阻的最大功耗為40mW， 光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.5x10-6，暗電導(dǎo)g0=0，若給光 敏電阻加偏置電壓20V，此時(shí)入

8、射CdS到光敏電阻 上的極限照度為多少勒克司？ 解：光敏電阻的最大光電流 6 2 200 200.5 10 p g I mA Elx VSV pg IS VE max 40 2 20 PmW ImA UV 5-3光敏電阻R與RL=2k的負(fù)載電阻串 聯(lián)后接于Vb=12V的直流電源上，無(wú)光照時(shí) 負(fù)載上的輸出電壓為V1=20mv，有光照時(shí) 負(fù)載上的輸出電壓為V2=2V。求：1）光敏 電阻的暗電阻和亮電阻值。2）若光敏電阻 的光電導(dǎo)靈敏度Sg=6x10-6s/lx，求光敏電 阻受到的照度。 1 2 1198 10 11111 1 16.7 b d LLd b LL g dd g VV RK RRR V

9、V RK RRR S E RRRRR Elx S R 5-4已知CdS光敏電阻的暗電阻RD=10M,在 照度為100lx時(shí)亮電阻R=5k,用此光敏電阻控制繼 電器，其原理電路如圖5-17所示，如果繼電器的 線圈電阻為4k,繼電器的吸合電流為2mA,問(wèn)需要 多少照度時(shí)才能使繼電器吸合？如果需要在400lx 時(shí)繼電器才能吸合，則此電路需作如何改進(jìn)？ 76 3 3 3 33 3 3 111 1 10 ,2 10/ 5 10 2 10 0.5 10250 124 102 10 112 4004 10750 2 10 DgDg D gD xx gD gS EgSs lx RR S EgElx ElxRR

10、 S Eg 6-6圖是用硒光電池制作照度計(jì)的原理圖，已知硒 光電池在100lx照度下，最佳功率輸出時(shí)的 Vm=0.3V,Im=1.5mA,如果選用100A表頭作照度指 標(biāo)，表頭內(nèi)阻為1K，指針滿刻度值為100lx，試計(jì) 算電阻R1和R2值。 6 1 122 111 22 100:0.3 ,1.5,100 10 1.4 ()2 /214 mm m fm m lx VV ImA IA IIIImA I RRVRk RVI 6-9圖為一理想運(yùn)算放大器，對(duì)光電二極管 2CU2的光電流進(jìn)行線性放大，若光電二極 管未受光照時(shí)，運(yùn)放輸出電壓V0=0.6。在 E=100lx的光照下，輸出電壓V1=2.4V。

11、求：（1）2CU2的暗電流； （2）2CU2的電流靈敏度 66 1 68 /0.6/1.5 100.4 10 1001.2 /1.2 10/1001.2 10/ Dof o pD f Ep IVRA VV ElxIIIA R SIEA lx 6-13說(shuō)出PIN管、雪崩光電二極管的工作 原理和各自特點(diǎn)，為什么PIN管的頻率特性 比普通光電二極管好？ 答：1：P140-141 2：PIN光電二極管因由較厚的i層，因此 p-n結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于i層中，使 p-n結(jié)的結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小，由于 工作在反偏，隨著反偏電壓的增大，結(jié)電 容變的更小，從而提高了p-n光電二極管的 頻率響應(yīng)。 6-15圖6-84示出了用光電耦合器件隔離的又一種高壓穩(wěn)壓電路，試說(shuō)明它的 工作原理及對(duì)光電耦合器的要求。 工作原理： 當(dāng)外界電源電壓或負(fù)載變化而導(dǎo)致輸出電 壓升高時(shí)，電位器W上的分壓也升高了， 從而使三極管T3的基極電壓升高，流過(guò)T3 的電流增大，則流過(guò)光電耦合器中發(fā)光二 極管的電流增大，該發(fā)光二極管的亮度增 大，使GD310中光