第一章作业 (1)教案资料

1. 光发射、传播和接收过程中有几种度量体系？各度量体系适用于什么情况？

如何相互转换？

两种度量体系，分别为：

（1） 辐射度量体系：与物理学中对电磁辐射量度的规定完全一致，适用于整个

电磁波谱。

（2） 光度量体系：以人的视觉特性为基础，只适用于可见光波段。 转

2. 半导体的特性有哪些？

（1） 负电阻温度系数；

（2） 导电特性受掺杂影响显著；

（3） 导电能力受外场（热、光、电、磁场）影响显著。

为什么掺杂对半导体导电特性影响显著？

本征半导体的导电能力很低,因为只含有很少的热运动产生的载流子。掺杂以后能极大的增加载流子的数目,所以掺杂质的半导体导电能力好。

。

3. 产生本征吸收的条件是什么？

入射光的能量至少要等于半导体的禁带宽度Eg ，这样才能使价带Ev 上的电子吸收足够的能量跃迁到导带低能级Ec 上，即g h E ν≥。

4. 什么叫异质结？什么叫肖特基势垒？

异质结就是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p 结或N-n 结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。

肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。

5.LED的发光颜色与哪些因素有关？

半导体发光二极管禁带越宽即Eg越大，释放能量越大，发光波长越短。发光颜色与掺杂有关。通过改变材料的能级结构，就可以改变LED的发光颜色。

一般的发光亮度都与电流密度成正比。

补充：黑体辐射、朗伯辐射体

随着黑体温度增加，黑体辐出度峰值波长向短波方向移动，在给定温度T时，其总辐出度与绝对温度的4次方成正比，所以实现红外隐身的第一要素就是降低武器平台的温度。

符合辐射强度余弦定律的发光体称为朗伯辐射体，其辐射出射度M等于它的辐射亮度与π的乘积。

1.简述雪崩光电二极管的工作原理。

当雪崩型光电二极管的PN结加上相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在该强场区漂移的光生载流子获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下，分别向相反的方向运动，在运动过程中，又可能与原子晶格碰撞，再一次产生新的电子空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。该过程就是雪崩光电二极管的工作原理。

2.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？

3.结型光电器件的光电效应是基于在内建电场的作用下，载流子的漂移运动，

正向偏置会减小内建电场的大小，不利于载流子的漂移运动。零偏可以保证内建电场大小PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？

PIN管的结构特点：在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹杂着一层较厚的高阻本征半导体I，这样PN结的内电场就基本全集中于I层，从而使PN结的结间距离拉大，结电容变小，因此电路的时间常数较小。由于工作在反

偏状态，随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。

4-2. 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。

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。

光伏探测器的工作机理：光照时产生的光生电子-空穴向结区扩散，依靠结区的内建电场的作用分离光生电子-空穴，并在PN结的两则出现光生电动势。因此，光伏探测器的光-电响应时间包括扩散时间、漂移时间，其中扩散时间指光生电子-空穴对扩散到结区的时间，一般光敏面很薄，使得扩散时间远小于载流子寿命（约为10-9s量级）；漂移时间指光生电子-空穴在电场作用下通过结区的时间（约为10-11s量级）。

不变，反偏可以增强内建电场，这两种情况下才5-2 光电发射和二次电子发射有哪些不同？简述光电倍增管的工作原理。

光电发射是材料吸收光子后，由于光子能量大于电子的逸出功而使电子逸出材料体外，作用是实现光电转换。

二次电子发射是具有足够大动能的电子轰击到某些材料时，材料表面发射出新的电子，其作用是实现电子流的放大。

光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。

当光照射到光电阴极上，光电阴极激发出的光电子在电场的加速作用下，打到第一倍增极（二次发射极）上，由于光电子能量很大，在倍增极上激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又打到第二倍增极处，又引起二次电子发射，直到阳极收集为止。若一次电子倍增数增加δ倍，如果n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的δn倍。δ为二次电子发射系数，即一个入射电子所产生的二次电子的平均数。

对于PMT，灵敏度最高的阴极材料是负电子亲和势材料。

其中R1=R2=R3=……=R12为分压电阻；R L为负载电阻；C0为隔直电容；K为光电阴

极；A为阳极；C3、C2、C1为并联旁路电容；D1、D2、……D11为电子倍增极。

5-5 光电倍增管采用负高压供电或正高压供电，各有什么优缺点？它们分别适用哪些场合？

负高压供电（阳极接地）：便于与后面的放大器相连，操作安全；但这时阴极处于负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声较大。适用于对暗电流和噪声要求不苛刻的工作场合。

正高压供电（阴极接地）：便于屏蔽，屏蔽罩可以和阴极靠得很近，屏蔽效果好；暗电流小噪声低；但阳极处于正高压，导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面接直流放大器时整个放大器处于高压，不利于安全操作；如果接一个交流放大器，则必须接一个耐高压的隔直电容器。

脉冲应用中常采用阴极接地，以减小暗电流和噪声。

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1.有明显的光电效应产生简述CCD的工作原理。

CCD的像元是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。CCD就是在非稳定状态下工作的MOS电容器的集成，是靠在时钟脉冲作用下不断改变各个MOS电容器的栅极电压，以电荷耦合方式实现电荷传输的。

基本功能：电荷注入、电荷存储、电荷转移、电荷输出

工作过程：1）CCD的MOS光敏元将光信息转化成电荷。

2）光敏单元中的电荷转移至移位寄存区。

3）电荷耦合——移位寄存器（移位寄存也是MOS结构）

a 用偏压高低来调节势阱的深浅，信号流向：浅→深

b 必须按确定的方向，驱动脉冲必须严格满足相位时序的要求。

4）信号电荷包在外加驱动脉冲作用下,在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出极输出。

2.CMOS图像传感器与CCD摄像器件有哪些主要的区别？