科学出版社 江文杰编著《光电技术》习题答案
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
同一照度下,加负载后,负载电阻与光电池内电阻串联,内电阻上总会分去一部分电压, 所以负载上的输出电压总是会小于开路电压。
4-7 说明 PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN 管的频率特性为什么比普通 光电二极管好? 答:(一)PIN 光电二极管
工作原理:PIN 光电二极管是一种快速光电二极管,PIN 光电二极管在掺杂浓度很高的 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体 I,其基本原理与光电二极管 相同。但由于其结构特点,PIN 光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。
=
SΦ m
R1 RL
=
SΦ m
Rb Rb + RL
=
0.6 × 5 × 125 125 + 125
= 1.5μA
交流输出电压 UL 的有效值
UL = ILmRL / 2 = 1.5μA ×125kΩ/ 2 = 132.6mV
(3)上限截止频率
f HC
=
1 2πR1C1
=
1 2 × 3.14 × 125 ×103 × 6 ×10−12
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
第 4 章 光伏探测器
4-1 (1)证明:光电二极管输出的光电流 Ip = eηΦ0 / (hν ) ,式中:Ф0 为入射辐射功率,e
为电子电量,η为量子效率,hv 为入射光子能量;(2)通常光电二极管的内增益 M=1,不会 出现 M>1。试从光伏效应的机理上加以解释。
压,负载电阻 50Ω 自身的噪声电压):
U
2 in
=
2eiΔf
⋅
R2
+
4kT Δf
⋅
R
=
8.34 ×1011V
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
2
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
从而 噪声电压
U
2 in
答:(1)单位时间内入射光子数 N = Φ0 / (hν ) ,则单位时间内产生的光生电子-空穴对数
N ′ = ηN = ηΦ0 / (hν ) ;故 Ip = eηΦ0 / (hν )
(2)光电二极管是依靠结区的内建电场的作用,将光照时产生的光生电子-空穴对分离, 在 PN 结的两则出现光生电动势。内部没有增益机制使得输出的载流子数目增加,从而不会 出现内增益 M>1;只要保证光敏面很薄,即保证载流子的扩散时间远小于它们的平均寿命, 所有光生载流子都能达到结区,实现分离而形成光生电动势,即光电二极管的内增益 M=1。
4-2 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。试从光电导效应和光伏效应的机理 上加以解释。 答:从器件的光-电的响应过程来分析。光电导探测器的工作机理:将光照时产生的光生载流 子直接输出形成电信号。以线性光电导探测器为例,它的响应时间决定于器件载流子寿命, 一般光电导材料载流子寿命为毫秒-秒量级。
特点:①结电容小,频率相应高。最大特点是频带;②可承受较高的反向电压,线性输出范 围宽;③量子效率较高;④不足是输出电流很小,约在微安量级。
PIN 光电二极管频率特性比普通光电二极管好的原因:PIN 光电二极管 PN 结间距离大, 结电容很小。由于工作在反偏状态,随着反偏电压增大,结电容变得更小,从而提高了 PIN 光电二极管的频率响应。
4-3 图 4-46 中,用 2CU 型光电二极管接收辐射通量变化为 Φ=(20+5sinωt)μW 的光信号, Rb=RL=125kΩ。2CU 的参数是:光电灵敏度 S=0.6μA/μW,结电容 Cj=3pF,引线分布电容 C0=3pF。
(1)画出图 4-的等效电路图;(2)求低频时交流输出电压 UL 的有效值;(3)上限截止 频率。
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
3
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
(二)雪崩光电二极管(APD) (1)结构原理:雪崩光电二极管是利用 PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作 的,其工作原理如下图所示。雪崩光电二极管工作电压很高,约为 100~200V,接近反向击 穿电压。结区内电场极强,光生载流子在这种电场中的得到了极大的加速,同时与晶格原子 发生碰撞产生电离,产生更多的电子空穴对。新生的电子空穴对在强电场作用下重复这一过 程,形成结电流的雪崩效应。
=
424.6kHz
2
4-4 在光通讯系统中,发射端功率 l0mW,光传输到接收端的损耗为 30dB,InGaAs 接收光 电二极管对发射的 1.3μm 波长光信号的响应率为 0.8A/W,暗电流为 5nA。接收端所用电路 如图 4-所示,系统带宽为 100MHz。求 Ui 处的电压信噪比和 Uo 处信号电压(不考虑 1/f 噪 声及光电二极管的热噪声,T=300K)。解:(来自)图 4-46 的等效电路如图
图 4-46 题 4-3 图
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
1
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
(2)由等效电路图,光电二极管的输出的交流电流由两个电容和两个电阻分流,总电容 为
工作特点:灵敏度高;电流增益大,可达102 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
4-7 说明 PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN 管的频率特性为什么比普通 光电二极管好? 答:(一)PIN 光电二极管
工作原理:PIN 光电二极管是一种快速光电二极管,PIN 光电二极管在掺杂浓度很高的 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体 I,其基本原理与光电二极管 相同。但由于其结构特点,PIN 光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。
=
SΦ m
R1 RL
=
SΦ m
Rb Rb + RL
=
0.6 × 5 × 125 125 + 125
= 1.5μA
交流输出电压 UL 的有效值
UL = ILmRL / 2 = 1.5μA ×125kΩ/ 2 = 132.6mV
(3)上限截止频率
f HC
=
1 2πR1C1
=
1 2 × 3.14 × 125 ×103 × 6 ×10−12
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
第 4 章 光伏探测器
4-1 (1)证明:光电二极管输出的光电流 Ip = eηΦ0 / (hν ) ,式中:Ф0 为入射辐射功率,e
为电子电量,η为量子效率,hv 为入射光子能量;(2)通常光电二极管的内增益 M=1,不会 出现 M>1。试从光伏效应的机理上加以解释。
压,负载电阻 50Ω 自身的噪声电压):
U
2 in
=
2eiΔf
⋅
R2
+
4kT Δf
⋅
R
=
8.34 ×1011V
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
2
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
从而 噪声电压
U
2 in
答:(1)单位时间内入射光子数 N = Φ0 / (hν ) ,则单位时间内产生的光生电子-空穴对数
N ′ = ηN = ηΦ0 / (hν ) ;故 Ip = eηΦ0 / (hν )
(2)光电二极管是依靠结区的内建电场的作用,将光照时产生的光生电子-空穴对分离, 在 PN 结的两则出现光生电动势。内部没有增益机制使得输出的载流子数目增加,从而不会 出现内增益 M>1;只要保证光敏面很薄,即保证载流子的扩散时间远小于它们的平均寿命, 所有光生载流子都能达到结区,实现分离而形成光生电动势,即光电二极管的内增益 M=1。
4-2 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。试从光电导效应和光伏效应的机理 上加以解释。 答:从器件的光-电的响应过程来分析。光电导探测器的工作机理:将光照时产生的光生载流 子直接输出形成电信号。以线性光电导探测器为例,它的响应时间决定于器件载流子寿命, 一般光电导材料载流子寿命为毫秒-秒量级。
特点:①结电容小,频率相应高。最大特点是频带;②可承受较高的反向电压,线性输出范 围宽;③量子效率较高;④不足是输出电流很小,约在微安量级。
PIN 光电二极管频率特性比普通光电二极管好的原因:PIN 光电二极管 PN 结间距离大, 结电容很小。由于工作在反偏状态,随着反偏电压增大,结电容变得更小,从而提高了 PIN 光电二极管的频率响应。
4-3 图 4-46 中,用 2CU 型光电二极管接收辐射通量变化为 Φ=(20+5sinωt)μW 的光信号, Rb=RL=125kΩ。2CU 的参数是:光电灵敏度 S=0.6μA/μW,结电容 Cj=3pF,引线分布电容 C0=3pF。
(1)画出图 4-的等效电路图;(2)求低频时交流输出电压 UL 的有效值;(3)上限截止 频率。
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
3
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
(二)雪崩光电二极管(APD) (1)结构原理:雪崩光电二极管是利用 PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作 的,其工作原理如下图所示。雪崩光电二极管工作电压很高,约为 100~200V,接近反向击 穿电压。结区内电场极强,光生载流子在这种电场中的得到了极大的加速,同时与晶格原子 发生碰撞产生电离,产生更多的电子空穴对。新生的电子空穴对在强电场作用下重复这一过 程,形成结电流的雪崩效应。
=
424.6kHz
2
4-4 在光通讯系统中,发射端功率 l0mW,光传输到接收端的损耗为 30dB,InGaAs 接收光 电二极管对发射的 1.3μm 波长光信号的响应率为 0.8A/W,暗电流为 5nA。接收端所用电路 如图 4-所示,系统带宽为 100MHz。求 Ui 处的电压信噪比和 Uo 处信号电压(不考虑 1/f 噪 声及光电二极管的热噪声,T=300K)。解:(来自)图 4-46 的等效电路如图
图 4-46 题 4-3 图
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
1
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
(2)由等效电路图,光电二极管的输出的交流电流由两个电容和两个电阻分流,总电容 为
工作特点:灵敏度高;电流增益大,可达102 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������