【正文】 13分）武漢理工大學考試試題紙（A卷）課程名稱光電技術專業(yè)班級光信科0501~0503題號一二三四五六七八九十總分題分1515101010151510100備注：學生不得在試題紙上答題(含填空題、選擇題等客觀題)一、 名詞解釋(每小題3分，總共15分) (Candela,cd) 4. 象增強管 5. 本征光電導效應二、 填空題(每小題3分，總共15分) 1. 光電信息變換的基本形式 、 、 、 、 、 。硅光電池的內阻與哪些因素有關?在什么條件下硅光電池的輸出功率最大?光電三極管和普通三極管有什么不同？為什么說光電三極管比光電二極管的輸出電流可以大很多倍？四、論述題（45分） 試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接探測和外差探測技術的應用特點。 （ ） 光電探測器件輸出的信號只有比噪聲大時，測量才能進行。 （ ）光電二極管陣列中各單元面積減小，則其信號電流和暗電流同比例減小。二、判斷題（每題一分，共１０分）PIN管的頻率特性比普通光電二極管好。光電檢測是以光信息的變換為基礎，它有（ ）和（ ）兩種基本工作原理。舉例三：天明告知裝置）電子科技大學二零零七 至二零零 八 學年第 一 學期期 末 考試光電檢測技術 課程考試題 B 卷 （120 分鐘） 考試形式：開卷 考試日期 2009 年6 月 12 日課程成績構成：平時 20 分， 期中 分， 實驗 分， 期末 80 分一二三四五六七八九十合計一、填空題（每空一分，共15分）入射光在兩介質分界面的反射率與（ ）有關。舉例說明光敏電阻的應用（舉例一：照明燈的光電控制電路基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。光電池AC、BD兩兩接成電橋，當光束準直時，亮斑中心與四象限管十字溝道重合，此時電橋輸出信號為零。）下圖為簡單的激光準直原理圖。處于補償狀態(tài)的測量系統(tǒng)，被測量與標準量具有確定的關系，由此可測得被測量值，這種方法稱為補償法。）1簡述熱電偶的工作原理（熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內產生熱電流的物理現(xiàn)象。電荷包的大小與光強和積分時間成正比。1光照射到陰極轉換成電子，出射到下一電極。第二階段）光電檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成？作用分別是什么？（光學變換時域變換：調制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學掃描光學參量調制：光強、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。特點： PIN管的最大特點是頻帶寬，可達10GHz。光子器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應。區(qū)別：敏感器是把被測量轉換為可用非電量，傳感器是把被測非電量轉換為電量） 發(fā)光二極管的工作原理。）光生伏特效應與光電導效應的區(qū)別和聯(lián)系？（共性：同屬于內光電效應。）光電信號的二值化處理（將光電信號轉換成“0”或“1”數(shù)字量的過程稱為光電信號的二值化處理。（外光電效應 光電管 光電倍增管）二、 名詞解釋響應度（響應度（或稱靈敏度）：是光電檢測器輸出信號與輸入光功率之間關系的度量。）9根據(jù)檢查原理，光電檢測的方法有哪四種。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。 光電器件的基本參數(shù)特性有哪些? （響應特性 噪聲特性 量子效率 線性度 工作溫度）響應特性分為電壓響應度 電流響應度 光譜響應度 積分響應度 響應時間 頻率響應 噪聲分類： 熱噪聲 散粒噪聲 產生復合噪聲 1/f噪聲 信噪比S/N 噪聲等效功率NEP 光電信息技術是以什么為基礎，以什么為主體，研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用。光電導效應：半導體受光照后，內部產生光生載流子，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。 （直接作用法 差動測量法 補償測量法 脈沖測量法）光熱效應應包括哪三種。）信噪比（是負載電阻上信號功率與噪聲功率之比）光電效應（光電效應：光照射到物體表面上使物體的電學特性發(fā)生變化。）亮態(tài)前歷效應(亮態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象)熱釋電效應（在某些絕緣物質中，由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應）暗電流暗態(tài)前歷效應暗態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢。區(qū)別：光生伏特效應是少數(shù)載流子導電的光電效應，而光電導效應是多數(shù)載流子導電的光電效應。（在PN結附近，N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴，PN結上未加電壓時構成一定的勢壘，當加上正向偏壓時，在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向對方擴散運動，構成少數(shù)載流子的注入，從而在PN 結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合。響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產生信號需要的時間短， 一般為納秒到幾百微秒響應慢，一般為幾毫秒 PIN型的光電二極管的結構、工作原理及特點（它的結構分三層，即P型半導體和N型半導體之間夾著較厚的本征半導體I層，它是用高阻N型硅片做I層，然后把它的兩面拋光，再在兩面分別作N+和P+雜質擴散，在兩面制成歐姆接觸而得到PIN光電二極管。缺點:由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌寗与娐诽幚硐到y(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。2電子撞到下一電極，倍增，更多的電子出射，直奔下一電極。電荷包在時鐘脈沖作用下，由轉移寄存器讀出。）1光電二極管的工作模式有哪幾種？都分別用于什么場合？四、分析根據(jù)電路說明光電耦合器的作用。）。用單模激光器作光源。若亮斑沿上下左右有偏移時，兩對電橋就相應于光斑偏離方向而輸出電信號?；窘Y構：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關執(zhí)行電路。已知本征硅的禁帶寬度Eg＝，則該半導體材料的本征吸收長波限為（ ）。光電探測器的物理效應通常分為（ ）、（　　　?。ⅲ? ）。 （ ）提高載流子平均壽命能同時提高光電導器件的增益及其截止頻率。（ ）陣列器件輸出的信號是數(shù)字信號。 （ ）光電池的頻率特性很好。(10分) 寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項物理意義。，它主要由 、 、 、 和 組成。RpReRbVDWUbb=12VUo圖1 5. 已知本征硅的禁帶寬度為，要使該材料有光電子產生，其入射光波的最大波長為 。四、 如果硅光電池的負載為RL。(提示增益可以表示為) (15分) (1) 計算光電倍增管的放大倍數(shù)和陽極電流。(10分)1. 如果入射功率為20nW，APD管的光電流為多少？2. 倍增因子為12時，APD管的光譜響應度為多少？光電技術 A卷參考答案一、 名詞解釋1. 坎德拉(Candela,cd)：發(fā)光頻率為54010Hz的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683Wsr1時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。5. 本征光電導效應：本征半導體價帶中的電子吸收光子能量躍入導帶，產生本征吸收，導帶中產生光生自由電子，價帶中產生光生自由空穴，使得材料的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 四、根據(jù)圖示為恒流偏置電路，流過穩(wěn)壓管的電流 滿足穩(wěn)壓管的工作條件(1) 當4V時，由得輸出電壓為6伏時電阻6K，輸出電壓為9伏時電阻3K，故=1；輸出電壓為8V時，光敏電阻的阻值為=4K，帶入，解得E=60lx（2）與上面（1）中類似，求出照度E=34lx(3) 電路的電壓靈敏度五、(1) 光電池的等效電路圖(2) 流過負載電阻的電流方程短路電流的表達式開路電壓的表達式 (3) 電流方向如圖所示六、當光照射p－n結，只要人射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結區(qū)產生電子－空穴對。當光照射時，滿足條件hvEg,則在結區(qū)產生的光生載流子將被內建電場拉開，于是在外電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移為主的光電流，顯然，光電流比無光照射時的反向飽和電流大的多，如果光照越強，表示在同樣條件下產生的光生載流子越多，光電流就越大，反之，則光電流越小。七、CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存貯在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道電荷耦合器件（SCCD）；另一種是電荷包存貯在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體內沿一定方向傳輸，這類稱為體內溝道或埋溝道電荷耦合器件（BCCD）。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應在選擇光源時加以滿足。因此在設計時，必須對探測器所需獲得的最大、最小光適量進行正確估計，并按估計來選擇光源。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時，可采用穩(wěn)壓電源供電。 ④對光源其他方面的要求?？墒窃谶@種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有10～20mm，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當大地增加陽極暗電流和噪聲。因為產生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很?。磘dr?。?，同時光敏電阻集光面積如果太小而不實用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增大了受光面積，又減小了極間距。下面是一個光電檢測系統(tǒng)的基本構成框圖： （1） 光源和照明光學系統(tǒng)：是光電檢測系統(tǒng)中必不可少的一部分。3）光信號的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設置在被檢測對象前面，也可設在光學變換后面，應按實際要求來決定。（5）電信號的放大與處理：這一部分主要是由各種電子線路所組成。敘述兩種方法的特點及它們之間的聯(lián)系。（12分硅光電池的工作原理和等效電路為下圖：（a） 光電池工作原理圖 （b）光電池等效電路圖 （c）進一步簡化從圖（b）中可以得到流過負載RL的電流方程為： （1）其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，Is0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。一個電子和一個空穴的一次復合將釋放出與材料性質有關的一定復合能量，這些能量會以熱能、光能或部分熱能和部分光能的形式輻射出來，產生電致發(fā)光現(xiàn)象，這就是LED的發(fā)光機理。材料對光的吸收有本征型和非本征型，所以光電導效應也有本征型和非本征型兩種。光電效應實質上是入射光輻射與物質中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。具體有光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏特效應、光子牽引效應和光電磁效應等。光熱效應包括熱釋電效應、溫差電效應和測熱輻射計效應等簡述光電探測器的選用原則 答：(1).光電檢測器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上匹配。簡述光電池、光電二極管的工作原理及區(qū)別？ 答：光電池和光電二極管都是基于光伏特效應的原理進行工作,只不過光電池可以工作在零偏狀態(tài)下,是光伏工作模式,器件內阻遠低于負載電阻,相當于一個恒壓源。另外，在短路狀態(tài)下器件的噪聲電流較低，信噪比得到改善，因此適用于弱光信號的檢測?？蛰d電壓輸出是一種非線性電壓變換狀態(tài)，此時RLRm且RL→∞，要求光電池應通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當于輸出開路。(2) 恒流偏置: 在基本偏置電路中，若負載電阻RL比光敏電阻RP大得多，即RLRP，則負載電流IL簡化為 IL=Ub/RL 這表明負載電流與光敏電阻值無關，并且近似保持常數(shù)，這種電路稱為恒流偏置電路。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作為恒流器件來代替RL。所以，當檢測電路更換光敏電阻值時，恒壓偏置電路初始狀態(tài)受到的影響不大，這是這種電路的一大優(yōu)點。②信號光和本振光束在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。總之,要滿足時間,空間條件外,還有滿足頻率條件和偏振條件.對直接檢測系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比？ (12分) 答：對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：（1）光子噪聲 包括：；。由圖可見：在頻率很低時，1/f噪聲起主導作用；當頻率達到中間范圍頻率時，產生——復合噪聲比較顯著；當頻率較高，甚至于截至頻率時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小。采用半導體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或專用制冷機制冷。其余光束再經析光鏡反射及透射，反射的一對正交線偏振光作為參考信號，經透鏡、偏振片產生拍頻信號，為光電接收器接收。 闡述用補償法檢測溶液濃度的工作原理及工作過程。系統(tǒng)輸出電壓為：