光电技术习题讲解

• 〔2-4〕简述发光二极管的发光原理，发光二极 管的外量子效率与哪些因素有关？ 发光二极管的发光原理见课本P25 与射出的光子数、电子空穴对数、半导体材 料的折射率有关
• 〔2-5〕简述半导体激光器的工作原理，它有 哪些特点？对工作电源有什么要求？
利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发 光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反 射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、 反馈、产生光的辐射放大，输出激光。 半 导体激光器激光器优点是体积小，重量轻， 运转可靠，耗电少，效率高等特点。要求是 有足够的粒子数反转，即要求必须满足一定 的电流阈值条件。
光电技术习题讲解
• 〔1-2〕一支氦-氖激光器（波长为632.8nm） 发出激光的功率为2mW。该激光束的平面 发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为 1mm。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、 光出射度。 若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上， 该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光 亮度。
D* D ( Ad f )1/2 1 D NEP ( Ad f )1/2 e NEP D* D 2 ( ) f 2 3.1 10 10 W D*
3-9〕光电发射的基本定律是什么？它与光电 导和光伏特效应相比，本质的区别是什么？ 答：光电反射具有两个基本定律： 第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时， 饱和光电流I与入射的辐射通量Φ成正比。 第二定律：发射的光电子的最大动能随入射 光子光频率的增加而线性增加而与入射光的 强度无关。
v ( ) K mV ( ) e ( ) 683 0.265 2 10 0.362lm
3
d v ( ) v ( ) Iv d S 2 Rh 2 2 (1 cos ) 2 R R v ( ) 0.362 Iv 1.15 105 cd 2 (1 cos ) 2 (1 cos 0.001) dI v I v I v 11 2 Lv 2 1.46 10 cd / m dS cos S cos r cos 0 d v ( ) 0.362 Mv 4.6 105 lm / m 2 2 dS 0.0005
对光电耦合器的要求： 调整管T1和T2需选用耐压较高的晶体管， 电阻R4比滑动变阻器W、R5要大很多，当 电位器C滑到b点时，要保证R5电阻的分压 要稍大于0.7V，其它元件仍可选用普通的低 压元件。 [8-1]简述一维CCD摄像器件的基本结构和工 作过程。 见P200
[6-13]说出PIN管、雪崩光电二极管的工作 原理和各自特点，为什么PIN管的频率特性 比普通光电二极管好？ 答：1：P140-141 2：PIN光电二极管因由较厚的i层，因此 p-n结的内电场就基本上全集中于i层中，使 p-n结的结间距离拉大，结电容变小，由于 工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电 容变的更小，从而提高了p-n光电二极管的 频率响应。
Pma SgVE
2mA E 200lx 6 VSg 20V 0.5 10 Ip
• 〔5-3〕光敏电阻R与RL=2kΩ的负载电阻串 联后接于Vb=12V的直流电源上，无光照时 负载上的输出电压为V1=20mv，有光照时 负载上的输出电压为V2=2V。求：1）光敏 电阻的暗电阻和亮电阻值。2）若光敏电阻 的光电导灵敏度Sg=6x10-6s/lx，求光敏电 阻受到的照度。
• 〔4-2〕光电发射和二次电子发射两者有何 不同？简述光电倍增管的工作原理。 光电发射是光轰击材料使电子逸出，二次电 子发射是电子轰击材料，使新的电子逸出。 工作原理见p68.
• 〔4-8〕光电倍增管产生暗电流的原因有哪 些？如何减少暗电流？ 原因：1）热电子发射 2）极间漏电流 3）残余气体的离子发射4）玻璃闪烁 5）场致发射 减少暗电流方法：1）直流补偿 2）直流和锁相放大 3）致冷 4）电磁屏蔽法 5）磁场散焦法
• 〔4-10〕 (a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电， 均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写 出各部分名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20μA/lm，阴 极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为 2cm2 ,各倍增极发射系数均相等（σ=4）， 光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集 率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳 极电流。
• (c)设计前置放大电路，使输出的信号电压为 200mV,求放大器的有关参数，并画出原理图。 解:（a）如图
（b）阴极电流： Ik=Sk· Φ=20x10-6· 0.1x2x10-4 =4x10-10A
倍增系统的放大倍数: M=Ip/Ik=ε0(σxε)11=2.34x106
阳极电流：Ip=M·k=936 μA I
[6-15]图6-84示出了用光电耦合器件隔离的又一种高压稳压电路，试说明它的 工作原理及对光电耦合器的要求。
工作原理： 当外界电源电压或负载变化而导致输出电 压升高时，电位器W上的分压也升高了， 从而使三极管T3的基极电压升高，流过T3 的电流增大，则流过光电耦合器中发光二 极管的电流增大，该发光二极管的亮度增 大，使GD310中光电三极管内流过较大的 电流，这又使调整管T1和T2导通程度下降， 从而导致输出电压回到稳定值。
• [6-6]图是用硒光电池制作照度计的原理图，已知硒 光电池在100lx照度下，最佳功率输出时的 Vm=0.3V,Im=1.5mA,如果选用100μA表头作照度指 标，表头内阻为1KΩ，指针满刻度值为100lx，试计 算电阻R1和R2值。
100lx : Vm 0.3V , I m 1.5mA, I1 100 10 A I1 I 2 I m I 2 1.4mA I1 ( R f R1 ) Vm R1 2k R2 Vm / I 2 214
Vb V1 Rd 1198 K RL RL Rd Vb V2 R 10 K RL RL R 1 1 1 1 1 Sg E R Rd R Rd R 1 E 16.7lx Sg R

• 〔5-4〕已知CdS光敏电阻的暗电阻RD=10MΩ,在 照度为100lx时亮电阻R=5kΩ,用此光敏电阻控制继 电器，其原理电路如图5-17所示，如果继电器的 线圈电阻为4kΩ,继电器的吸合电流为2mA,问需要 多少照度时才能使继电器吸合？如果需要在400lx 时继电器才能吸合，则此电路需作如何改进？
(c)
Rf Vo Vo ' RL Vo ' Rf RL Vo ( I p ) RL Rf RL I pR f
200mv Rf 214 936 A
• 〔5-2〕已知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW， 光电导灵敏度Sg=0.5x10-6，暗电导g0=0，若给光 敏电阻加偏置电压20V，此时入射CdS到光敏电阻 上的极限照度为多少勒克司？ 解：光敏电阻的最大光电流
1 1 1 7 gD 110 , S g E g D S g 2 106 s / lx RD R 5 103 2 103 S g E ' g D 0.5 103 E ' 250lx 12 4 103 2 103 1 12 3 E 400lx 4 10 Rx Rx 750 3 Sg E gD 2 10
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• [6-9]图为一理想运算放大器，对光电二极管 2CU2的光电流进行线性放大，若光电二极 管未受光照时，运放输出电压V0=0.6。在 E=100lx的光照下，输出电压V1=2.4V。 求：（1）2CU2的暗电流； （2）2CU2的电流灵敏度
I D Vo / R f 0.6 /1.5 106 0.4 106 A V1 Vo E 100lx I p I I D 1.2 A Rf S E I p / E 1.2 106 /100 1.2 108 A / lx
本质区别： 光电导和光伏特效应属内光电效应，是光照 到半导体材料时，材料由于光子的加入引起 载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产 生内建电场。 光电发射是属外电效应，是光子和物质材 料中的电子相互作用，光子能量足够大，才 使电子获得能量而逸出物质表面。
• 〔4-1〕负电子亲和势光电阴极的能带结构 如何？它具有那些特点？ • 表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带 之下 . • 特点：1.量子效率高 2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀 3.热电子发射小 4.光电发射小，光电子能量集中
• 〔3-5〕何谓“白噪音”？何谓“1/f噪音”？ 要降低低电阻的热噪音应采用什么措施？ 答：白噪音：功率谱与频率无关的噪音。 1/f噪音：功率谱与1/f成正比的噪音。 措施： 尽量选择通带宽度小的； 尽量选择电阻值小的电阻； 降低电阻周围环境的温度。
• 〔3-6〕探测器的D*=1011cm· 1/2· -1,探测器光 Hz W 敏器的直径为0.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器 中，它能探测的最小辐射功率为多少？
l 10m r 0.0005m ( P6) d 'v r2 M v' 0.85 Ev' 0.85 ' 0.85 Lv 2 dS cos l 2 r 0.85 Lv 2 2 ' ' d v dM v ' l 155cd / m 2 Lv d dS ' cos d 2