光电检测技术A卷及答案

电子科技大学二零零九至二零一零学年第一
学期期末考试
光电检测技术课程考试题 A 卷（120 分钟）考试形式：开卷考试日期2010 年6月29 日课程成绩构成：平时20 分，期中0 分，实验分，期末80 分
一二三四五六七八九十合计复核人签名
得分
签名
一、计算（共28分，共3题）
1、如图1所示，是转速测量系统，已知圆盘的孔数为N，光电探测器输出的脉冲信号频率为f，求转轴的转速n（单位为r/min）。

（8分）
图1 转速测量系统
得分
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1、转轴的转速为：
N f
n
60
2、已知本征硅材料禁带宽度Eg＝1.2eV，求该半导体材料的本征吸收长波限；已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4µm，求该材料的禁带宽度。

（8分）
3、设被测距离最大范围为10km,要求测距精度为1，而各测尺的测量精度为1‰，试给出测尺的个数以及各测尺的长度和频率。

（12分）
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三、简答题（共46分）
8分）
5、光电导器件的响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应?（8分）
6、试问图2 (a) 和图2(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压U0的表达式。

（10分）
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(a) (b)
图2 光敏电阻偏置电路
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7、如果硅光电池的负载为R L，画出它的等效电路图，写出流过负载R L的电流I L方程及U oc、I sc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。

（10分）
8、光伏探测器的工作模式分为哪几种？为什么（分类依据）？他们的主要区别？（10分）
三、论述题（共26分）
9、为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力？（12分）
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第 6 页 共 10页
10、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理(同时画出原理图)及工作过程（必须写出浓度表达式）。

（14分）
一、计算题
1、转轴的转速为：N
f
n 60=
2、g E h ≥ν
g E hc /≤λ
则长波限为：1.03um ，材料的禁带宽度为：0.887ev
3、被测距离最大范围为：10KM ，所以最大尺子的量程至少为：10KM ，此尺子能精确测到：10KM ×1‰＝10m 。

因为要求测距精度为1cm ，尺子的测量精度为1‰，所以最小量程的尺子为：1cm/1‰＝10m 纵上述，测量至少需要两把尺子：一个L 0=10KM ，其对应的工作频率为：
2/L c f =＝15KHZ
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另一个L 0=10m ，其对应的工作频率为：
02/L c f =＝1.5×107
HZ
二、简答题
1、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度是定值，输出光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

光敏电阻做成蛇形，一方面既可以保证有较大的受光面积，一方面减小电极之间的距离，从而既可以减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。

2、响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命τ有关，减小τ，则频率响应提高；其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化，因为它们都影响载流子的寿命。

光伏特器件的工作频率高于光电导器件。

要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：
①减小负载电阻；②减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；③适当增加工作电压。

3、都属于共射极电路，(1)R R
U V U U g
be
B C --=0 (2)g be
B C R R
U V U U --
=0 4、、硅光电池的工作原理和等效电路为下图：
（a ）光电池工作原理图 （b ）光电池等效电路图 （c ）进一步简化 (4分) 从图（b ）中可以得到流过负载R L 的电流方程为：
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)1()1(/0/0--=--==KT qV s E KT qV s p D p e i E S e i i i i i － （1）
其中，S E 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，I s0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。

(2分)
当i ＝0时，R L ＝∞（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以V OC 表示，由式（1）解得：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=1ln 0I I q kT V p
OC
（2）.。

（4分） 当Ip 》Io 时，)/ln()/(0I I q kT V p OC ≈
当R L ＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc 表示，所以
Isc ＝I p ＝Se ·E （3）。

（4分）
从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc 与入射光照度成正比，而开路电压V oc 与光照度的对数成正比。

5、光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式则由外偏压回路决定。

在零偏压的开路状态，PN 结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成光伏工作模式。

当外回路采用反偏电压，即外加P 端为负，N 端为正的电压时。

无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。

从外表看，PN 结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以称为光导工作模式。

主要区别：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。

三、论述题
1、在外差探测中，因为信号光和本征光的功率分别：2/2S S A P =,2/2
L L A P =
而中频电流输出对应的电功率为：L IF IF R I P 2
=，其中L R 为光电探测器的负载电阻。

所以，L L S L L S IF L S IF R P P R t P P P 2222)]([cos 4βϕϕωβ=⋅-+= （1）
这里的横线是对中频周期求平均。

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在直接探测中，探测器输出的电功率为： L S L p P R P R I S 2
22β== （2）
从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程；而光频外差探测的光电转换过程不是检波，而是一种“转换”过程，即把以S ω为载频的光频信息转换到以IF ω为载频的中频电流上，这一“转换”是本机振荡光波的作用，它使光外差探测天然地具有一种转换增益。

为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。

为此令
P IF S P M /= （3）
把（1）和（2）式代入（3）中得到：S
L
P P M 2=
通常在实际应用中，S L P P >>因此M >>1, M 的大小和S P 的量值有关。

例如假定mw P L 5.0=，那么在不同的S P 值下，M 值将发生明显变化。

列举数值如表1所示：
表1 M 的大小和S P 的量值
从表1的数值举例中看出，在强光信号下，外差探测并没有多少好处，在微弱光信号下，外差探测器表现出十分高的转换增益。

例如，在P S =10-10~10-11w 量级时，M ＝107~108，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高107~108量级，所以我们可以说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。

2、原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。

将该光线用分束器BS 分成两束，分别通过待测溶液S 2和参比溶液S 1，并用两个性能一致的光电探测器接收。

由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD 1接收到的光强度I 1即为入射光强度I 0，而探测器PD 2接收到的光强度I 2取决于待测溶液的浓度。

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系统输出电压为：
式中，C 0为比例常数；1φI 为PD 1上产生的光电流；2φI 为PD 2上产生的光电流；K 1、K 2为PD 1和PD 2的灵敏度，1φ、2φ为到达PD 1和PD 2上的光通量。

若
PD 1和PD 2性能一致，则K 1＝K 2，故上式可变为：
由于在忽略反射和散射的情况下，I 1=I 2,故
可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。

（5分）
（8分）
忽略此处..
2
211120122100lg /)lg (lg φφφφK K R R C R R I I C U =-=21
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0lg lg I I
R
R C R R C U ==φφ2
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