光电检测技术期末试卷试题大全

1、光电器件的基本参数特性有哪些
（响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度）
@响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应
@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP
2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的
形成、传输、接收、变换、处理和应用。

（光电子学光电子器件）
3、光电检测系统通常由哪三部分组成
（光学变换光电变换电路处理）
4、光电效应包括哪些
外光电效应和内光电效应）
外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。

内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，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少的现象。

光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。

5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为
哪几种
（光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池）
6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么
（定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔）
7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出
（交变辐射）
8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基
本功能是什么
（电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

）
9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。

（直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法）
10、光热效应应包括哪三种。

（热释电效应辐射热计效应温差电效应）
11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么
（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。

）
12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。

（外光电效应光电管光电倍增管）
二、名词解释
1、响应度
（响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。

）2、信噪比
（是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）
3、光电效应
（光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。

）
4、亮电流
（光敏电阻两端加电压（直流或交流）。

无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。

）
5、光电信号的二值化处理
（将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。

）6、亮态前历效应
(亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到
的照度不同时，所出现的一种滞后现象)
7、热释电效应
（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）
8、暗电流
9、暗态前历效应
暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢。

三、简答
1、雪崩光电二极管的工作原理
（当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。

只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。

）2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系
（共性：同属于内光电效应。

区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。

）
3、什么是敏感器敏感器与传感器的区别和联系
（将被测非电量转换为可用非电量的器件。

共性：对被测非电量进行转换。

区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）
4、发光二极管的工作原理。

（在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。

一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。

5、说明电子器件与热电器件的特点。

光子器件热电器件
响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。

响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感
响应快，吸收辐射产生信号
需要的时间短，一般为纳
秒到几百微秒
响应慢，一般为几毫秒
6、PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点
（它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I 层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。

原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。

两侧P层和N 层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。

特点： PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。

缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。

）
7、热辐射检测器通常分为哪两个阶段哪个阶段能够产生热电效应。

（第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。

第二阶段）
8、光电检测系统由哪几部分组成作用分别是什么
（#光学变换
时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽
空域变换：光学扫描
光学参量调制：光强、波长、相位、偏振
形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。

#光电变换
光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大
将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。

#电路处理
放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。

）
9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理
（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。

@1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。

@2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。

@.3经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流。

）
10简述CCD器件的结构和工作原理
（MOS电容器件+输入输出端=CCD
Ccd的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单元上；
在耗尽层中或距耗尽层为一定范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附近形成电荷包，存储在像敏单元中。

电荷包的大小与光强和积分时间成正比。

电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。

即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。

势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。

）
11、简述热电偶的工作原理
（热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。

）
12、光电二极管的工作模式有哪几种都分别用于什么场合
四、分析
1、根据电路说明光电耦合器的作用。

B1 B2
+12V 1 K 4N25 Q11 +12V 1K 4N25
Q11
U1 Y1 U1
30G6 Y2
33K 33K 30G6 Q12
Q12
2、分析下面电路的工作过程
Cd5
220V
五、应用题
1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。

（被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，则
L=vt=vkN=KN)
2、举例说明补偿测量方法的原理
（补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。

处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。

）。

3、举例说明象限探测器的应用。

（四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。

）
下图为简单的激光准直原理图。

用单模激光器作光源。

因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。

图中激光射出的光束用倒置望远系统L进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。

光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。

若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出电信号。

哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。

这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。

4、举例说明光敏电阻的应用
（举例一：照明灯的光电控制电路
基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。

基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路。

基本原理：光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻
阻值降低，继电器工作，灯关。

举例二：把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电
器接通电动机电路，电动机带动大门打开。

举例三：天明告知装置
）
电子科技大学二零零七至二零零八学年第一学期期末考
试
光电检测技术课程考试题 B 卷（120 分钟）考试形式：开卷考试日期 2009 年6 月12 日
课程成绩构成：平时 20 分，期中分，实验分，期末 80 分
一、填空题（每空一分，共15分）
1、入射光在两介质分界面的反射率与（）有关。

2、已知本征硅的禁带宽度E
＝，则该半导体材料的本征吸收长波限为（）。

g
3、某一干涉仪的最高频率为20MHz，选用探测器的时间常数应小于（）。

4、温度越高，热辐射的波长就（）。

5、光电检测是以光信息的变换为基础，它有（）和（
）两种基本工作原理。

6、光电探测器的物理效应通常分为（）、（）、（）。

7、光电检测系统主要由（）、（）、（）和（）。

8、光电三极管的增益比光电二极管（），但其线性范围比光电二极管（）。

二、判断题（每题一分，共１０分）
1、PIN管的频率特性比普通光电二极管好。

（）
2、提高载流子平均寿命能同时提高光电导器件的增益及其截止频率。

（）
3、有基极引线光电三极管可作为光电二极管和无基极引线光电三极管使用。

（）
4、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。

（）
5、光电二极管阵列中各单元面积减小，则其信号电流和暗电流同比例减小。

（）
6、阵列器件输出的信号是数字信号。

（）
7、光敏电阻受温度影响大，通常工作在低温环境下工作。

（）
8、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度越高。

（）
9、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。

（）
10、光电池的频率特性很好。

（）
三、简答题（每小题6分，共30分）
1、总结原子自发辐射、受激吸收、受激辐射三个过程的基本特征。

2、半导体激光器和发光二极管在结构上、发光机理和工作特性上有什么不同
3、说明为什么本征光电导器件在微弱的辐射作用下，时间显影越长，灵敏度越高。

4、硅光电池的内阻与哪些因素有关在什么条件下硅光电池的输出功率最大
5、光电三极管和普通三极管有什么不同为什么说光电三极管比光电二极管的输出电流
可以大很多倍
四、论述题（45分）
1、试从工作原理和系统性能两个方面比较直接探测和外差探测技术的应用特
点。

(10分)
2、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项物理意义。

（10分）
3、试问图1-1 (a) 和图1-1(b)分别属哪一种类型偏置电路为什么分别写出输出
的表达式。

(12分)
电压U
(a) (b)
图1-1 光敏电阻偏置电路
3、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。

（13分）
武汉理工大学考试试题纸（A卷）
课程名称光电技术专业班级光信科0501~0503
题号一二三四五六七八九十总
分题分1515101010151510100
图1 备注：学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题)
一、 名词解释(每小题3分，总共15分)
1.坎德拉(Candela,cd)
2.外光电效应
3.量子效率
4. 象增强管
5.
本征光电导效应
二、 填空题(每小题3分，总共15分)
1. 光电信息变换的基本形
式 、 、 、 、 、 。

2.光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由 、 、 、 和 组成。

3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P 型和N 型半导体组合
而成。

其发光机理可以分为 和 。

4. 产生激光的三个必要条件是 。

5. 已知本征硅的禁带宽度为g E ，要使该材料有光电子产生，其入射光波的
最大波长为 。

三、如图1所示的电路中，已知R b =820Ω,R e =Ω,U W =4V 阻为R p ,当光照度为40lx 时，输出电压为6V ，80lx 是为设光敏电阻在30~100之间的γ值不变。

试求：(1) 输出电压为8V 时的照度； （2）若e R 增加到6 K Ω，输出电压仍然为8V ，求此时的照
度；
(3) 输出电压为8V 时的电压灵敏度。

四、 如果硅光电池的负载为R L 。

(10分)
(1)、画出其等效电路图；
(2)、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流；
(3)、标出等效电路图中电流方向。

五、 简述PIN 光电二极管的工作原理。

为什么PIN 管比普通光电二极管好 (10分)
六、 1200V 负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，若倍增管的阴极灵敏度S K 为20uA/lm ，阴极入射光的照度为，阴极有效面积为2cm 2，各倍增极二次发射系数均相等(4=δ)，光电子的收集率为98.00=ε，各倍增极的电子收集率为95.0=ε。

(提示增益可以表示为N G )(0εδε=) (15分)
(1)计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。

(2)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。

七、 简述CCD 的两种基本类型，画出用线阵CCD 测量微小物体(小于100微米)原理简图，并分析测量原理。

(15分)
八、 一InGaAs APD 管在倍增因子M=1，入射波长为1550nm 时的量子效率
＝
60％，加偏置电压工作时的倍增因子M=12。

(10分)
1. 如果入射功率为20nW ，APD 管的光电流为多少
2. 倍增因子为12时，APD 管的光谱响应度为多少
光电技术 A 卷参考答案
一、 名词解释
1. 坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540×10Hz 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr -1时，在该方向上的发光强度为1cd 。

2. 外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够
大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。

3. 量子效率：一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射
的光电子数与入射的光子数之比值。

4. 象增强管：把微弱的辐射图像增强到可使人直接观察的真空光
电成像器件。

5. 本征光电导效应：本征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，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。

二、填空题
1. 信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于
反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷于光学量化器的方式和光通信方式的信息变换。

2. 光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。

3. PN结注入发光，异质结注入发光。

4、 5、
四、根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流
满足稳压管的工作条件
(1) 当4V时，
由
得输出电压为6伏时电阻
6K ，
输出电压为9伏时电阻
3K
，故=1；
输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为
=4K
，带入
，解得E=60lx
（2）与上面（1）中类似，求出照度E=34lx
(3) 电路的电压灵敏度
五、(1) 光电池的等效电路图
(2) 流过负载电阻的电流方程
短路电流的表达式
开路电压的表达式
(3) 电流方向如图所示
六、当光照射p－n结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。

这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n 区边界积累光电子，p区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。

光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。

其基本结构就是一个p-n结，属于结型光生伏特效应。

当光照射时，满足
条件hv>E g,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。

对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。

即使I层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。

同时，反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。

七、
CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件（SCCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）。

原理：当满足远场条件L﹥﹥d2/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到
d=Kλ/Sinθ (1)
当θ很小时（即L足够大时）Sinθ≈tgθ= X k/L
代入（1）式得d==
=
(2)
S——暗纹周期，S=X K/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S测量简图
八(1) Solution The responsivity at M=1 in terms of the quantum efficiency is
(2) If I pho is the primary photocurrent and 0 is the incident
optical power then by definition
so that
1、光源选择的基本要求有哪些
答：①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。

按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。

有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。

系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。

②光对光源发光强度的要求。

为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。

光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。

因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。

③对光源稳定性的要求。

不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。

通常依不同的测试量来确定。

稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。

当要求较高时，可采用稳流电源供电。

所用的光源应该预先进行月化处理。

当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。

④对光源其他方面的要求。

光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。

如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足
2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况
答：采用阳极接地，负高压供电。

这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。

可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。

如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。

采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。

可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声
3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，为什么要把光敏电阻制造成蛇形
答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即t dr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。

9、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应它必须在那种偏置状态为什么
答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。

p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

二~论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。

1、下面是一个光电检测系统的基本构成框图：
（1）光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一部分。

在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。

（2）被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。

光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

3）光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。

光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。

（4）光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。

其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。

（5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。

光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。

（6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U
的方法：一种是从负载电阻
R
L 上取得电压U
，另一种是从二极管两端取得电压U。

叙述两种方法的特点及它
们之间的联系。

（10分）
(1)对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U0=I L R L，而对于b）图，光电信号是。