南京理工大学-光电检测技术总结汇编

习题01

一、填空题

1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）到（0.78m μ ）范围内的电磁辐射称为光辐射。

2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。

3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。

4、光量Q ：?dt φ，s lm ?。

5、光通量φ：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值，单位：流明lm 。

6、发光强度I ：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度，ωφd d /，单位：坎德拉)/(sr lm cd 。

7、光出射度M ：光源表面单位面积向半球面空间内发出的光通量，称为光源在该点的光出射度，dA d /φ,单位：2/m lm 。

8、光照度E ：被照明物体单位面积上的入射光通量，dA d /φ，单位：勒克斯lx 。

9、光亮度L ：光源表面一点的面元dA 在给定方向上的发光强度dI 与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度，)cos /(θ?dA dI ，单位：2/m cd

。 10、对于理想的散射面，有Ee= Me 。

二、概念题

1、视见函数：国际照明委员会（CIE ）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V (λ),或称视见函数。

2、辐射通量e φ：是辐射能的时间变化率，单位为瓦 (1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。

3、辐射强度e I ：从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W ／sr(瓦每球面度)。

4、辐射出射度e M ：辐射体在单位面积内所辐射的通量，单位为2/m W

。 5、辐射照度e E ：单位面积内所接收到的辐射通量，单位为2/m W 。

6、辐射亮度e L ：由辐射表面给定方向发射的辐射强度，除于该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。单位为)/(2sr m W ?。

7、光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比。

8、朗伯定律：发光体在各方向上的辐射亮度一致，有θcos o e I I =。

9、光学多普勒效应：运动物体能改变入射于其上的光波频率。

10、黑体：是一个理想的余弦辐射体，其亮度与方向无关。

11、积分响应度：光电探测器输出的电流或电压与入射总通量之比。

12、光的发生一般有两种方式，温度辐射和发光。

三、简答题

1、辐射照度和辐射出射度的区别是什么？

答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射通量，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射通量。

2、何为余弦辐射体？余弦辐射体的主要特征是什么？

答：假设辐射亮度e L 不随方向而发生变化，且θcos ∝e

I ，有θcos o e I I =，满足该条件的光源为余弦辐射体。

其辐射出射度e M 在数值上是亮度e L 的π倍。

3、什么是光电阴极材料的负电子亲和势,为什么具有负电子亲和势的光电阴极材料有较高的量子效率且光谱范围能向红外区扩展？

电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）与导带能级c E 之差。

负电子亲和势：真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负。

因为光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出；表面热垒低，使表面逸出几率大。因为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面，因而使得光谱范围向红外区扩展。

四、计算及证明题

证明点光源的辐射照度与距离平方成反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？ 222

.4444I I

d d I I R E E dA R dA R R ?π???πππ=∴=== 设点光源的辐射强度为在理想情况下，点光源的总辐射通量为＝又半径为的球面上的辐射照度为＝

()12

1212212222212221010010010L L I I I I I L L E E E E E R L L L L ==

∴====∴= 设第一个探测器到点光源的距离为，第二个探测器到点光源的距离为 又 又由于 习题02

一、填空题

1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。

2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。

3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。

4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。

5、光电探测器的主要作用是光信号转换成电信号。

6、本征吸收的条件：光子能量必须大于半导体的禁带宽度g E ，g E h >ν,()m E E h c g

g μλ24.10=?=。 7、光电检测的核心为光电传感器。

8、可用作干涉光源的有He-Ne 激光和钠光。

9、作为一个完整的检测系统应包括信息的获得、变换、处理和显示几个部分，因此，光电检测系统由光电检测器件、输入电路、前置放大器等三部分组成。

10、检测以光信息的变换为基础，它有两种基本工作原理，将光信号转换成电信号，将电信号转换成所需检测物体的信息参数。

11、良好的光电发射材料，光吸收系数要大，有一定的电导率，溢出深度要小，材料的溢出功要小。

二、概念题

1、禁带、导带、价带：

禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 导带：价带以上能量最低的允许带。

价带：与价电子能级相对应的能带称为价带。价带不一定是满带。

2、热平衡状态：在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度为某一稳定值。

3、强光注入、弱光注入：

强光注入：光生载流子浓度n ?远大于热激发电子浓度i n ，光生空穴浓度p ?远大于热激发空穴浓度

i p 。 弱光注入：光生载流子浓度n ?远小于热激发电子浓度i n ，光生空穴浓度p ?远小于热激发空穴浓度

i p 。 4、非平衡载流子寿命τ：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。

三、简答题

1、掺杂对半导体导电性能的影响是什么？

答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。

2、为什么空穴的迁移率比电子的迁移率小？

答：迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比电子的迁移率小。

四、计算题

1、 本征半导体材料Ge 在297K 下其禁带宽度E g =0.67(eV)，现将其掺入杂质Hg ，锗掺入汞后其成为电离能E i =0.09(eV)的非本征半导体。试计算本征半导体Ge 和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。 解：()()()()()()m m m E m m m E i g μμμλμμμλ778.1309

.024.124.1851.167.024.124.10201======

2、某种光电材料的逸出功为1eV ，试计算该材料的红限波长。（普朗克常数h ＝6.626×10-34(J.s)，光速C ＝2.998×108(m/s)，电子电量e ＝1.6×10-19库仑） 解：()()()m m m ch c μμμ??νλ24.11

24.124.10000===== 习题03

一、概念题

1、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。

2、光电发射第一定律：也称斯托列托夫定律。当入射光的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流I K 与被阴极所吸收的光通量φK 成正比。

3、光电发射第二定律：也称爱因斯坦定律。发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性增大，而与入射光的光强无关。

4、光电效应分为内光电效应和光电发射效应。

5、内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应为光敏电阻；光生伏特效应为光电二极管、光电三极管和光电池。

6、光电导效应：探测微弱信号，光谱响应范围宽。

7、光生伏特效应：暗电流小，噪声低，响应速度快，光电特性呈线性，受温度影响小。

8、光电发射效应为光电倍增管（PMT ）。

9、用光电法测量某高速转轴（15000r/min ）的转速时，最好选用PMT 。

10、若要检测脉宽为710-s 的光脉冲，应选用PIN 型光电二极管、光敏电阻。

11、光敏电阻的光电导灵敏度和时间特性与温度和照度有关。

12、光生伏特效应的主要特点：1光照在不均匀半导体或半导体和金属结合的接触面时，会在接触面的两侧产生电位差；2只有本征吸收所激发的光生载流子才能引起光伏效应，而非本征吸收所激发的不可以。

13、丹培效应：由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象。

14、光磁电效应：当半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运动会受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上、下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。

15、光子牵引效应：当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。在开路的情况下，半导体将产生电场，它阻止载流子的运动。

二、简答题

1、外光电效应和内光电效应的区别是什么？

答：外光电效应是物质受到光照后向外发射电子的现象，而内光电效应是物质在受到光照后产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部。

2、光电导效应：分为本征光电导效应与杂质光电导效应。本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。

3、雪崩二极管的工作原理。

雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子-空穴对在电场作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生电子-空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。

4、为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应？

因为结型光电器件在反偏置或零偏置电压下工作时，增加了耗尽层的宽度和结电场。在耗尽层中产生的电子-空穴对因其复合比较小，故在结区强电场作用下，不必经过复合的扩散过程而对电流做贡献，提高了光电器件的灵敏度，也增大了光电效应。

5、PIN 管的频率特性为什么比普通光电二极管好？

答：①相对于P 区及N 区来说，I 层为高阻层，在工作情况下，它承受了极大部分的外加电压，使得耗尽层增大，展宽了光电转换的有效区域，提高了灵敏度；

②I 层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择低阻的基体材料，不但提高了击穿电压，而且还减少了串联电阻和时间常数；

③I 层的存在，使得扩散区不会到达基体，从而减少了载流子通过扩散区的时间，提高了频率响应；

④反偏的情况下，耗尽层较无I 层时要大很多，故结电容下降，提高频率响应。

6、比较2CU 型光电二极管和2DU 型光电二极管的结构特点，说明引入环级的意义。

答：2CU 型光电二极管以N 型硅为衬底，在上面通过扩散或注入方式生产P 型层，形成PN 结；而2DU 型则以P 型硅为衬底，在上面通过扩散或注入方式生产N 型层，形成PN 结；二者均在光敏面上涂以二氧化硅为保护膜。另外，2DU 型光电二极管引入了环级来减少暗电流和噪声。

7、光伏效应：光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。

8、光电导效应：半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。

9、什么是光电导？光电导探测器的内增益与哪些物理量有关？

答：半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时为亮电导。给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导。亮电流与暗电流之差称为光电流。光电导器件主要指光敏电阻，增益2l u G

βτμ=，β为量子产额，τ为载流子寿命，μ为迁移率，u 为外加电压，l 为光敏电阻

两极间的距离。一旦光敏电阻给定，光电导探测器的内增益与外加电压成正比。

10、硅PIN 和硅APD （雪崩二极管）的特点（工作原理，性能和使用）有何异同？

答：PIN 管是光电二极管的一种。它的结构特点是，在P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本证半导体。这样，PN 结的内电场就基本上全部集中于I 层中，从而使PN 结耗尽层加宽，结电容变小。 PIN 管最大的特点是频带宽，量子效率高，线性输出范围宽，输出电流小。

雪崩二极管是利用PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的。其工作电压很高，约100~200V ，接近于反向击穿电压。很高的内增益，可达到几百，响应速度特别快。噪声大是其的一个主要缺点。

从使用上看，PIN 的反向电压为一般地电压，雪崩二极管则需要很高电压，约100~200V ，接近反向击穿区。

共同点：①都工作在反向偏压下，且都能承受较高偏压；②频带都很宽；硅PIN 可达10GHz ，而硅APD 可达100GHz ；③量子效率都比一般光电二极管要高。

区别：①工作原理不同，PIN 管对光电流没有放大作用，而且因为I 层电阻很大而使输出电流小，一般要与运算放大器集成使用；②APD 管具有光电流放大作用，同时噪声很大。

11、弱辐射探测情况下，光电导灵敏度有何特点，把光敏电阻制成蛇形状有何作用。

光敏电阻在微弱辐射作用下的光电导灵敏度S 与光敏电阻两电极间的距离l 的平方成反比；在强辐射作用下的光电导灵敏度S 与光敏电阻两电极间距离l 的二分之三次方成反比。为了提高光敏电阻的光电导灵敏度S ，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间距离l 。

三、概念题

光生伏特器件的偏置电路

①自偏置电路

②反向偏置电路

③零伏偏置：在自偏置下，负载电阻为0，输出的短路电流sc I 与入射辐射量成线性变化，只适合对微弱辐射信号进行检测。

习题04

一、概念题

1、光电探测器的响应度（或灵敏度）：光电探测器的输出电压V o 或输出电流I o 与入射光功率P 之比。

2、热噪声：载流子无规则的热运动造成的噪声，又称为约翰逊噪声。

3、信噪比：在负载电阻R L 上产生的信号功率与噪声功率之比。

4、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。

5、光电探测器中主要的固有噪声有热噪声，产生-复合噪声，低频噪声，散粒噪声，温度噪声。

6、等效噪声功率：即最小可探测功率Pmin ，当信号功率和噪声功率之比为1时，入射到探测器件上的辐射通量。

7、探测率：为等效噪声功率的倒数。

二、简答题

热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？

答：热电检测器件特点：①响应波长无选择性，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。

光电检测器件特点：①响应波长有选择性，存在某一截止波长λo ，超过此波长，器件没有响应。②响应快，一般在纳秒到几百微秒。

习题05

一、概念题

1、PMT ：探测微弱信号，响应速率快，灵敏度高，惰性小，频率特性好，供电电压高，采用玻璃外壳，抗震性差。

2、PMT 的注意点：玻璃外壳，注意防震；使用时不可用强光照射，当光照过强时，光电特性的线性变差，光电阴极疲劳而损坏器件；工作电流不宜过大；测量交变光时，负载电阻不宜过大；不能在氦气中使用。

3、PSD （光电位置敏感器件）：暗电流小，噪声低，响应速度快，光电特性呈线性，受温度影响小。

4、具有光电倍增的器件有光电倍增管和雪崩二极管。

二、简答题

1、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？

答：光电倍增管由光入射窗、光电阴极，电子光学输入系统(光电阴极到第一倍增极D1之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等构成。

工作原理：光子透过入射窗入射到光电阴极K 上。此时光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N 级倍增后，光电子就放大N 次。经过倍增后的二次电子由阳极a 收集起来，形成阳极光电流，在负载R L 上产生信号电压。

2、光电倍增管的供电电路注意哪些问题 ？

答：(1)倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，常采用电阻链分压法供电。流过电阻链的电流I R 至少要比阳极最大的平均电流I am 大10倍以上。

(2)供电电源的电压稳定性要求较高。

(3)为了不使阳极脉冲电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。

(4)倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。

3、说明光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度的区别和关系，以及短波限和长波限由什么因素决定。 答：阴极灵敏度k S 为光电倍增管阴极电流k I 与入射光谱辐通量φ之比，阳极灵敏度a S 为光电倍增管阳极电流a I 与入射光谱辐通量φ之比，G S S k a ?=,G 为电流放大倍数。短波限和长波限主要由光电阴极材料和窗口材料决定。

4、为什么光电阴极都是P 型半导体材料制作的？

答：P 型半导体的受主能级比较靠近价带，故价带中的电子很容易吸收光子能量而进入导带，使价带产生空穴参与导电，而光电阴极作为光电发射材料，其吸收光照后能够发出电子，使得阳极材料能够收集得到。

5、微通道板的工作原理。

微通道板由若干个极细的空心管道组成。管道是由高阻材料制成的，内壁为二次电子发射系数δ>1的材料，在它的两端加上直流高压后，在每个管道内形成极强的电场。这时，当光电面发射的电子进入管道后，在强电场的作用下经过管壁的多次碰撞，而得到电子倍增。

三、计算题

现有GDB-423光电倍增管的阴极有效面积为2cm 2 ，阴极灵敏度为25μA/lm ，倍增系统的放大倍数105，阳极额定电流为20μA ，求允许的最大照度。

解：

()()()()

lx m lm lm A m A S A i E E

A i i S A M

i i M A

i I k k k I a k a 04.004.0251021021021020224445==???=?=∴?=Φ=?==∴==---μμμμ

习题06

一、画图解释题

用PN 结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。

习题07

一、填空题

1、热释电探测器是将辐射能转换为（热）能，然后再把它转换为（电）能的器件。

2、热释电探测器工作的物理机理是热电效应，探测的是温度的变化。

二、简答题

1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？

答：热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。

2、热电探测器与普通温度计有何区别？

答：相同点：二者都有随温度变化的性能。

不同点：温度计要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。

3、简述辐射热电偶的使用注意事项。

答：⑴由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动。

⑵额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。⑶应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，损坏热电偶。

⑷保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。

⑸工作时环境温度不宜超过60℃。

习题08

一、概念题

1、电极化：电介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但是它也是由带电粒子——电子和原子核组成的。在外电场的作用下，带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些变化。例如，加上电压后，正电荷平均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极。虽然其移动距离很小，但电介质的一个表面带正电，另一表面带负电。称这种现象为电极化。

2、居里温度：铁电体的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为居里温度（或居里点）。

二、简答题

1、为什么由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？