張永林老師版光電子技術(shù)

1、1.1可見光的波長、頻率和光子的能量范圍分別是多少？波長：380780nm 400760nm頻率：385T790THz 400T750THz能量：1.63.2eV1.2輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？為什么量子流速率的計(jì)算公式中不能出現(xiàn)光度量？為了定量分析光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，分析光電敏感器件的光電特性，以及用光電敏感器件進(jìn)行光譜、光度的定量計(jì)算，常需要對光輻射給出相應(yīng)的計(jì)量參數(shù)和量綱。輻射度量與光度量是光輻射的兩種不同的度量方法。根本區(qū)別在于：前者是物理（或客觀）的計(jì)量方法，稱為輻射度量學(xué)計(jì)量方法或輻射度參數(shù)，它適用于整個(gè)電磁輻射譜區(qū)，對輻射量進(jìn)行物理的計(jì)量；后者是生理（或主觀

2、）的計(jì)量方法，是以人眼所能看見的光對大腦的刺激程度來對光進(jìn)行計(jì)算，稱為光度參數(shù)。因?yàn)楣舛葏?shù)只適用于0.380.78um的可見光譜區(qū)域，是對光強(qiáng)度的主觀評價(jià)，超過這個(gè)譜區(qū)，光度參數(shù)沒有任何意義。而量子流是在整個(gè)電磁輻射，所以量子流速率的計(jì)算公式中不能出現(xiàn)光度量.光源在給定波長處，將+d范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量 de，除以該波長的光子能量h，就得到光源在處每秒發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率。1.3一只白熾燈，假設(shè)各向發(fā)光均勻，懸掛在離地面1.5m的高處，用照度計(jì)測得正下方地面的照度為30lx，求出該燈的光通量。=L*4R2=30*4*3.14*1.52=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波長

3、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。1.6從黑體輻射曲線圖可以看書，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長 隨溫度T的升高而減小。試用普朗克熱輻射公式導(dǎo)出式這一關(guān)系式稱為維恩位移定律中，常數(shù)為2.89810-3mK。普朗克熱輻射公式求一階導(dǎo)數(shù)，令其等于0，即可求的。教材P82.1什么是光輻射的調(diào)制？有哪些調(diào)制的方法？它們有什么特點(diǎn)和應(yīng)用？光輻射的調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號(hào)改變光波波形的幅度、

4、頻率或相位的過程。光輻射的調(diào)制方法有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制：直接調(diào)制技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但存在波長(頻率)的抖動(dòng)。 LD、LED外調(diào)制：調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、消光比高、插損較大、驅(qū)動(dòng)電壓較高、難以與光源集成、偏振敏感、損耗大、而且造價(jià)也高。但譜線寬度窄。機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制2.2說明利用泡克爾斯效應(yīng)的橫向電光調(diào)制的原理。畫出橫向電光調(diào)制的裝置圖，說明其中各個(gè)器件的作用。若在KDP晶體上加調(diào)制電壓U=Um ，U在線性區(qū)內(nèi)，請寫出輸出光通量的表達(dá)式。Pockels效應(yīng)：折射率的改變與外加電場成正比的電光效應(yīng)。也稱線性電光效應(yīng)。光傳播方向與電場施加的方向垂直，這種電光效

5、應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。2.3說明利用聲光布拉格衍射調(diào)制光通量的原理。超聲功率Ps的大小決定于什么？在石英晶體上應(yīng)加怎樣的電信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)光通量的調(diào)制？該信號(hào)的頻率和振幅分別起著什么作用？當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間上和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，就變成了一個(gè)等效的相位光柵，當(dāng)光通過有超聲波作用的介質(zhì)時(shí)，相位就要受到調(diào)制，其結(jié)果如同它通過一個(gè)衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通過這個(gè)光柵時(shí)就要產(chǎn)生衍射，這就是聲光效應(yīng)。布拉格衍射是在超聲波頻率較高，聲光作用區(qū)較

6、長，光線與超聲波波面有一定角度斜入射時(shí)發(fā)生的。2.4說明利用法拉第電磁旋光效應(yīng)進(jìn)行磁光強(qiáng)度調(diào)制的原理。磁場使晶體產(chǎn)生光各向異性，稱為磁光效應(yīng)。法拉第效應(yīng)：光波通過磁光介質(zhì)、平行于磁場方向傳播時(shí)，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。電路磁場方向在YIG棒軸向，控制高頻線圈電流，改變軸向信號(hào)磁場強(qiáng)度，就可控制光的振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角，使通過的光振幅隨角的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。3.1熱電探測器與光電探測器相比較，在原理上有何區(qū)別？光電探測器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用，而熱電探測器是在光輻射作用下，首先使接收物質(zhì)升溫，由于溫度的變化而造成接受物質(zhì)的電學(xué)特性變化。光電探

7、測器響應(yīng)較快，噪聲??；而熱電探測器的光譜響應(yīng)與波長無關(guān)，可以在室溫下工作。3.2光電效應(yīng)有哪幾種？各有哪些光電器件？物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)又分為外光電效應(yīng)（如光電發(fā)射效應(yīng)）和內(nèi)光電效應(yīng)（如光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)）。當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的增大，這種現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻、光導(dǎo)探測器當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)受光照射時(shí)，光子在結(jié)區(qū)（耗盡區(qū)）激發(fā)電子-空穴對。在自建場的作用下，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而在勢壘兩邊形成電荷堆積，使P區(qū)、N區(qū)兩端產(chǎn)生電位差。P端為正，N端為負(fù)。這種效應(yīng)稱為光伏效應(yīng)。光電池、光電二極管、

8、雙光電二極管，光電三極管、光電場效應(yīng)管、光電開關(guān)管、光電雪崩二極管某些金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，物質(zhì)中的電子由于吸收了光子的能量，致使電子逸出物質(zhì)表面，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱外光電效應(yīng)。光電倍增管，真空光電管、充氣光電管。3.3光電器件的光電特性（光照特性）有哪兩種情況？每種特性的器件各自的用途是什么？當(dāng)光電器件上的電壓一定時(shí)，光電流與入射于光電器件上的光通量的關(guān)系I=F( ) 稱為光電特性，光電流與光電器件上光照度的關(guān)系I=F(L) 稱為光照特性。3.4什么是光電器件的光譜特性？了解它有何重要性？光電器件對功率相同而波長不同的入射光的響應(yīng)不同，即產(chǎn)生的光電流不同。光電流或輸出電壓與入射

9、光波長的關(guān)系稱為光譜特性。光譜特性決定于光電器件的材料。應(yīng)盡量使所選的光電器件的光譜特性與光源的光譜分布較接近。由光電器件的光譜特性可決定光電器件的靈敏度（響應(yīng)率）光譜靈敏度和積分靈敏度。3.5為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)沒有明顯的光電效應(yīng)？結(jié)型光電器件必須工作在哪種偏置狀態(tài)?因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。3.6若光電PN結(jié)在照度L1下開路電壓為U ，求照度L2下的開路電壓U 。

10、3.7負(fù)電子親和勢光電陰極的能帶結(jié)構(gòu)如何？它有哪些特點(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3.8何謂“白噪聲”？何謂“噪聲”？要降低電阻的熱噪聲應(yīng)采取什么措施？功率譜大小與頻率無關(guān)的噪聲，稱白噪聲。功率譜與f成反比，稱1/f 噪聲。措施：1.盡量選擇通帶寬度小的2.盡量選擇電阻值小的電阻3.降低電阻周圍環(huán)境的溫度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？3.10應(yīng)怎樣理解熱釋電

11、效應(yīng)？熱釋電探測器為什么只能探測調(diào)制輻射？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(hào)正比于器件的溫升隨時(shí)間的變化率，因此它只能探測調(diào)制輻射。3.13一塊半導(dǎo)體樣品，有光照時(shí)電阻為50歐姆，無光照時(shí)電阻為5000歐姆，求該樣品的光電導(dǎo)。G光=G亮-G暗=1/50-1/5000=0.0198（s）該樣品的光電導(dǎo)即為所求。3.14 3.16試問圖3.25和圖3.26分別屬于哪一種類型的偏置電路？為什么？當(dāng)光照變化dL時(shí)，引起輸出電壓U0變化，分別寫出這兩種電路dU0的表達(dá)式。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。

12、為什么光電池的輸出與所接的負(fù)載有關(guān)系？（1）工作原理光電池是一個(gè)簡單得PN結(jié)。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)將吸收入射光子。如果光子能量超過半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則由半導(dǎo)體能帶理論可知，在PN結(jié)附近會(huì)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(fù)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(dòng)勢。如果用導(dǎo)線或電阻把N區(qū)和P區(qū)連接起來，回路中就會(huì)有光電流I流過，電流方向是由P區(qū)流向N區(qū)。（6分）（2）光電池的電動(dòng)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（4分）（3）當(dāng)負(fù)載電阻較大時(shí)，光電流流過負(fù)

13、載電阻時(shí)，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(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不能移過PN結(jié)，使對外輸出的光電流減少。（5分）3.20 2CR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(shí)環(huán)極不接是否可用？為什么？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(diǎn)。PIN管的頻率特性為什么比普通光電

14、二極管好？工作原理：PIN管加反向電壓時(shí)，勢壘變寬，在整個(gè)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)光生電子空穴時(shí)，在內(nèi)建電場和反向電場作用下，空穴向P區(qū)移動(dòng)，電子向N區(qū)移動(dòng)，形成光生電流，通過負(fù)載，在外電路形成電流。特點(diǎn)：頻帶寬，線性輸出范圍寬。優(yōu)點(diǎn)：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。工作原理：當(dāng)光電二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)很高的電場，它足以使在該強(qiáng)電場區(qū)產(chǎn)生和漂移的光生載流子獲得充分的動(dòng)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

15、穴對在強(qiáng)電場作用下，分別向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，又可能與原子碰撞，再一次產(chǎn)生新的電子空穴對。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。特性：靈敏度高，響應(yīng)速度快；PIN光電二極管因由較厚的i層，因此p-n結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于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)。由于PIN管耗盡層變寬，這就相當(dāng)于增大了結(jié)電容之間的距離，使結(jié)電容變小，而且耗盡層的厚度隨反向電壓的增加而加寬，因而結(jié)電容隨著外加反向偏壓的增大而變得更小。同時(shí)，由于I層的電阻率很高，故能承受很高的電壓，I層電場很強(qiáng)，對少數(shù)載流子漂移

16、運(yùn)動(dòng)起加速作用，雖然渡越距離增大一些，但少數(shù)載流子的渡越時(shí)間相對還是短了?？傊?，由于結(jié)電容變小，載流子渡越耗盡層的時(shí)間短，因此PIN管的特性好。3.23光電二極管2CU2E，其光電靈敏度S=0.5A/W，拐點(diǎn)電壓U =10V，輸入輻射功率 =（5+3sin t）W，偏置電壓Ub=40V，信號(hào)由放大器接收，求取得最大功率時(shí)的負(fù)載電阻Rb和放大器的輸入電阻R 的值，以及輸入給放大器的電流、電壓和功率值。3.24圖3.97中，用2CU型光電二極管接收輻射通量變化為 =（20+50sinwt）W的光信號(hào)，其工作偏壓Ub=30V，拐點(diǎn)電壓Um=10V，且Rb=RL。2CU的參數(shù)是：光電靈敏度S=0.6A

17、/W，結(jié)電容Cj=3pF，分布電容C0=3pF。試計(jì)算：1.3.25用光電三極管3DU12探測交變信號(hào)。結(jié)電容Cj=8pF，放大器的輸入電容Ci=5pF，輸入電阻r=10k計(jì)算變換電路中頻時(shí)的輸出電壓U0上限頻率f3.26設(shè)計(jì)光控繼電器開關(guān)電路。已知條件：光電晶體管3DU15的S=1A/lx，繼電器K的吸合電流為10mA，線圈電阻1.5k。要求光照大于200lx時(shí)繼電器J吸合。3.27試述PSD的工作原理，與象限探測器相比，PSD有什么優(yōu)點(diǎn)？PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種對入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件，分為一維和二維兩種。當(dāng)入射光是非均勻的或是一個(gè)光斑時(shí)，其輸出與光的能量中心有關(guān)

18、。與象限探測器相比，PSD的優(yōu)點(diǎn)有：對光斑的形狀無嚴(yán)格要求；光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可進(jìn)行連續(xù)測量，位置分辨率高，可同時(shí)檢測位置和光強(qiáng)。3.28光電發(fā)射和二次電子發(fā)射有哪些不同？簡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。1）光子透過入射窗口入射在光電陰極K上。2）光電陰極電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。3）光電子通過電子加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后光電子就放大N次方倍。4）經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載R

19、L上產(chǎn)生信號(hào)電壓3.29光電倍增管中的倍增極有哪幾種結(jié)構(gòu)？每一種的主要特點(diǎn)是什么？鼠籠式：結(jié)構(gòu)緊湊，體積?。坏`敏度的均勻性稍差。直線聚焦式：極間電子渡越時(shí)間的離散性小，時(shí)間響應(yīng)很快，線性好：但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盒柵式：電子的收集效率較高，均勻性和穩(wěn)定性較好；但極間電子渡越時(shí)間零散較大。百葉窗式：工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管;但極間電壓高，有時(shí)電子可能越級(jí)穿過，從而，收集率較低，渡越時(shí)間離散較大。近貼柵網(wǎng)式：極好的均勻性和脈沖線性，抗磁場影響能力強(qiáng)。微通道板式：尺寸大為縮小，電子渡越時(shí)間很短，響應(yīng)速度極快，抗磁場干擾能力強(qiáng)，線性好。3.3

20、0 (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)的放大倍數(shù)和陽極電流。(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（a）如圖（b）陰極電流：Ik=Sk=2010-60.1210-4 =410-10A 倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù):M=0()11 =0.98(40.95)11 2

21、.34106 陽極電流：Ip=MIk=936 A（c）3.31某光電倍增管的陽極光電靈敏度為10A/lm，為什么還要限制其陽極輸出電流小于50100A范圍內(nèi)？問其陰極面上最大允許的光通量為多少流明？因?yàn)殛枠O電流過大會(huì)加速光電倍增管的疲勞與老化。3.32某GDB的陽極積分靈敏度為10A/lm，Sk=20A/lm，倍增極有11級(jí)。若各級(jí)的電子收集效率為1，問各倍增極的平均倍增系數(shù)為多少？3.33現(xiàn)有GDB-423型光電倍增管的光電陰極面積為2cm，陰極靈敏度Sk為25A/lm，倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)為105，陽極額定電流為20A，求允許的最大光照。4.1簡述PbO視像管的基本結(jié)構(gòu)和工作過程。光學(xué)圖像投

22、射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在加速電場和聚焦線圈所產(chǎn)生的磁場 共同作用下打到靶上，在靶的掃描面形成與圖像對應(yīng)的電位分布最后，通過電子束掃描把電 位圖像讀出，形成視頻信號(hào)，4.2攝像器件的參量極限分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)和惰性是如何定義的？分辨率表示能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力。極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）極限分辨率：人眼能分辨的最細(xì)條數(shù)。用在圖像（光柵）范圍內(nèi)所能分辨的等寬度黑白線條數(shù)表示。也用線對/mm表示。MTF：能客觀地表示器件對不同空間頻率目標(biāo)的傳遞能力。惰性：指輸出信號(hào)的變化相對于光照度的變化有一定的滯后。原因：靶面光電導(dǎo)張弛過程和電容電荷釋放惰性。4.3以雙列兩相表面溝

23、道CCD為例，簡述CCD電荷產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。以表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。CCD的輸出信號(hào)有什么特點(diǎn)？答：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器。正如其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極（稱為柵）上加一個(gè)正的階梯電壓時(shí)（襯底接地），Si-SiO2界面處的電勢（稱為表面勢或界面勢）發(fā)生相應(yīng)變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓VG超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢能較低，我們可以形象化地說：

24、半導(dǎo)體表面形成了電子的勢阱，可以用來存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在勢阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷）來到勢阱及其鄰近，它們便可以聚集在表面。隨著電子來到勢阱中，表面勢將降低，耗盡層將減薄，我們把這個(gè)過程描述為電子逐漸填充勢阱。勢阱中能夠容納多少個(gè)電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小，而表面勢又隨柵電壓變化，柵電壓越大，勢阱越深。如果沒有外來的信號(hào)電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢阱，這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)生的載流子。因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲(chǔ)電荷。以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相CCD是由每三

25、個(gè)柵為一組的間隔緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時(shí)刻，1高電位，2、3低電位。此時(shí)1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注入，則電荷就被存儲(chǔ)在1電極下的勢阱中。t2時(shí)刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個(gè)勢阱的空阱深度相同，但因1下面存儲(chǔ)有電荷，則1勢阱的實(shí)際深度比2電極下面的勢阱淺，1下面的電荷將向2下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè)勢阱中具有同樣多的電荷。t3時(shí)刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)1下的勢阱逐漸變淺，使1下的剩余電荷繼續(xù)向2下的勢阱中轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，2為高

26、電位，1、3為低電位，2下面的勢阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到2下面的勢阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個(gè)電極位置，即一個(gè)柵周期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。 電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，。輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位柵R、復(fù)位漏RD以及輸出場效應(yīng)管T等。所謂“浮置擴(kuò)散”是指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n

27、+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時(shí)，稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)”。電荷包的輸出過程如下：VOG為一定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使3與FD之間建立導(dǎo)電溝道。在3為高電位期間，電荷包存儲(chǔ)在3電極下面。隨后復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖R，使FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因 VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，則 FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。復(fù)位正脈沖過去后FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。之后，3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。此時(shí)FD區(qū)（即A點(diǎn)）的電位變化量為：式中，QFD是信號(hào)電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關(guān)的總電容（包括輸出管T的輸入電容、分布電容等）。CCD輸出

28、信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度T。；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。據(jù)此特點(diǎn)，對CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。4.4 CCD驅(qū)動(dòng)脈沖工作頻率的上、下限受哪些條件限制，應(yīng)該如何估算？4.5雙列兩相CCD驅(qū)動(dòng)脈沖1、2、SH、RS起什么作用？它們之間的位相關(guān)系如何？為什么？1、2：驅(qū)動(dòng)脈沖1、驅(qū)動(dòng)脈沖2，將模擬寄存器中的信號(hào)電荷定向轉(zhuǎn)移到輸出端形成序列脈沖輸出。SH：轉(zhuǎn)移柵控制光生電荷向CCDA或CCDB轉(zhuǎn)移。RS：復(fù)位脈沖，使復(fù)位場效應(yīng)管導(dǎo)通，將剩余信號(hào)電荷卸放掉，以保證新的信

29、號(hào)電荷接收。4.7 TCD1200D的中心距為14m，它能分辨的最小間距是多少？它的極限分辨率怎樣計(jì)算？它能分辨的最小間距是14m。4.8簡述變像管和圖像增強(qiáng)器的基本工作原理，指出變像管和圖像增強(qiáng)器的主要區(qū)別。亮度很低的可見光圖像或者人眼不可見的光學(xué)圖像經(jīng)光電陰極轉(zhuǎn)換成電子圖像；電子光學(xué)系統(tǒng)將電子圖像聚焦成像在熒光屏上，并使光電子獲得能量增強(qiáng)；熒光屏再將入射到其上的電子圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像。變像管：接受非可見輻射圖像并轉(zhuǎn)換成可見光圖像的直視型光電成像器件：紅外變像管、紫外變像管和X射線變像管等，功能是完成圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換。像增強(qiáng)器：接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件：級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器、帶微

30、通道板的像增強(qiáng)器、負(fù)電子親和勢光陰極的像增強(qiáng)器等，功能是完成圖像的亮度增強(qiáng)。5.1光盤記錄有什么優(yōu)點(diǎn)？存儲(chǔ)密度高。非接觸式讀/寫信息（獨(dú)特）。存儲(chǔ)壽命長。信息的信噪比高。信息位價(jià)格低。存儲(chǔ)密度高數(shù)據(jù)傳輸速率高存儲(chǔ)壽命長信息位價(jià)低更換容易5.2光盤發(fā)展經(jīng)歷了哪幾代？每一代的特點(diǎn)是什么？自美國ECD及IBM公式共同研制出第一片光盤以來，光盤經(jīng)歷了四代：只讀存儲(chǔ)光盤（read only memory，ROM） 這種光盤中的數(shù)據(jù)是在光盤生產(chǎn)過程中刻入的，用戶只能從光盤中反復(fù)讀取數(shù)據(jù)。這種光盤制造工藝簡單，成本低，價(jià)格便宜，其普及率和市場占有率最高。一次寫入多次讀出光盤（write once read

31、many，WORM） 這種光盤具有寫、讀兩種功能，寫入數(shù)據(jù)后不可擦除?？刹林貙懝獗P（rewrite,RW） 用戶除了可在這種光盤上寫入、讀出信息外，還可以將已經(jīng)記錄在盤上的信息擦除掉，然后再寫入新的信息；但擦與寫需要兩束激光、兩次動(dòng)作才能完成。直接重寫光盤（overwrite，OW） 這種光盤上實(shí)現(xiàn)的功能與可擦重寫重寫光盤一樣，所不同的是，這類光盤可用同一束激光、通過一次動(dòng)作就擦除掉舊信息并錄入新信息。5.3說明ROM光盤的存儲(chǔ)原理。將事先記錄在主磁帶上的視頻或音頻信息通過信號(hào)發(fā)生器、前置放大器去驅(qū)動(dòng)電光或聲光調(diào)制器，使經(jīng)過調(diào)制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤上，使光刻膠曝光

32、，之后經(jīng)過顯影、刻蝕，制成主盤（又稱母盤，master），再經(jīng)噴鍍、電鍍等工序制成副盤（又稱印模,stamper），然后再經(jīng)過“2P”注塑形成ROM光盤。5.4說明激光熱致相變RW光盤的讀、寫、擦原理。近紅外波段的激光作用在介質(zhì)上，能加劇介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中原子、分子的振動(dòng)，從而加速相變的進(jìn)行。因此近紅外激光對介質(zhì)的作用以熱效應(yīng)為主，其中寫、讀、擦激光與其相變的進(jìn)行。圖的上半部是用來寫入、讀出及擦除信息的激光脈沖，下半部表示出在這三種不同的脈沖作用下，在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的相應(yīng)相變過程。信息的記錄 對應(yīng)介質(zhì)從晶態(tài)C向玻璃態(tài)G的轉(zhuǎn)變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百納秒的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度剎那間超過

33、熔點(diǎn)而進(jìn)入液相，再經(jīng)過液相快瘁完成到達(dá)玻璃態(tài)的相轉(zhuǎn)變。信息的讀出 用低功率密度、短脈寬的激光掃描信息道，從反射率的大小辨別寫入的信息。一般介質(zhì)處在玻璃態(tài)（即寫入態(tài)）時(shí)反射率小，處在晶態(tài)（即擦除態(tài)）時(shí)反射率大。在讀出過程中，介質(zhì)的相結(jié)構(gòu)保持不變。信息的擦除 對應(yīng)介質(zhì)從玻璃態(tài)G向晶態(tài)C的轉(zhuǎn)變。選用中等功率密度、較寬脈沖的激光，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度升至接近處，再通過成核生長完成晶化。在此過程中，光誘導(dǎo)缺陷中心可以成為新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生長速度大大增加，從而導(dǎo)致激光熱晶化壁單純熱晶化的速率要高。5.5簡述可擦重寫磁光光盤讀、寫、擦原理。如圖9-14，目前磁光薄膜的記錄方式有補(bǔ)償點(diǎn)記

34、錄和居里點(diǎn)記錄兩類，前者以稀土鈷合金為主，后者則多為稀土鐵合金。以補(bǔ)償點(diǎn)寫入的磁介質(zhì)為例來討論磁光記錄介質(zhì)的讀、寫、擦原理。信息的寫入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化軸。在寫入信息前，用一定強(qiáng)度的磁場對介質(zhì)進(jìn)行初始磁化，使各磁疇單元具有相同的磁化方向。在寫入信息時(shí)，磁光讀寫頭的脈沖激光聚焦在介質(zhì)表面，光照微斑因升溫而迅速退磁，此時(shí)通過讀寫頭中的線圈施加一反偏磁場，就可使光照區(qū)微斑反向磁化，如圖所示，而無光照的相鄰磁疇磁化方向仍將保持原來的方向，從而實(shí)現(xiàn)磁化方向相反的反差記錄。信息的讀出 信息讀出是利用Kerr效應(yīng)檢測記錄單元的磁化方向。用線偏振光掃描錄有信息的信道，光束到達(dá)磁化方向向上的微斑，經(jīng)反射后，偏折方向會(huì)繞反射線右旋一個(gè)角度，如圖所示。反之，若光掃描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向則左旋一個(gè)，以表示。實(shí)際測試時(shí)，使檢偏器的主截面調(diào)到與對應(yīng)的偏振方向相垂直的方位，則來自向下磁化微斑的反射光不能通過檢偏器到達(dá)探測器，而從向上磁化微斑反射的光束則可以通過的分量，這樣探測器就有效地讀出了寫入的信