光电技术习题讲解

光电技术习题讲解•〔1-2〕一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos)()0.3621.15102(1cos)2(1cos0.001)1.4610/coscoscos0()0.3vmevvvvvvvvvvvKVlmdIdSRhRRIcddIIILcdmdSSrdMdS522624.610/0.0005lmm•〔2-4〕简述发光二极管的发光原理，发光二极管的外量子效率与哪些因素有关？发光二极管的发光原理见课本P25与射出的光子数、电子空穴对数、半导体材料的折射率有关'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos0.85155/cos2vvvvvvvvlmrmPdrMELdSlrLddMlLcdmddSd•〔2-5〕简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。要求是有足够的粒子数反转，即要求必须满足一定的电流阈值条件。•〔3-5〕何谓“白噪音”？何谓“1/f噪音”？要降低低电阻的热噪音应采用什么措施？答：白噪音：功率谱与频率无关的噪音。1/f噪音：功率谱与1/f成正比的噪音。措施：尽量选择通带宽度小的；尽量选择电阻值小的电阻；降低电阻周围环境的温度。•〔3-6〕探测器的D*=1011cm·Hz1/2·W-1,探测器光敏器的直径为0.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？*1/21/2*210*()1()()23.110ddeDDAfDNEPAfNEPDDfWD3-9〕光电发射的基本定律是什么？它与光电导和光伏特效应相比，本质的区别是什么？答：光电反射具有两个基本定律：第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流I与入射的辐射通量Φ成正比。第二定律：发射的光电子的最大动能随入射光子光频率的增加而线性增加而与入射光的强度无关。本质区别：光电导和光伏特效应属内光电效应，是光照到半导体材料时，材料由于光子的加入引起载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产生内建电场。光电发射是属外电效应，是光子和物质材料中的电子相互作用，光子能量足够大，才使电子获得能量而逸出物质表面。•〔4-1〕负电子亲和势光电阴极的能带结构如何？它具有那些特点？•表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下.•特点：1.量子效率高2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀3.热电子发射小4.光电发射小，光电子能量集中•〔4-2〕光电发射和二次电子发射两者有何不同？简述光电倍增管的工作原理。光电发射是光轰击材料使电子逸出，二次电子发射是电子轰击材料，使新的电子逸出。工作原理见p68.•〔4-8〕光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何减少暗电流？原因：1）热电子发射2）极间漏电流3）残余气体的离子发射4）玻璃闪烁5）场致发射减少暗电流方法：1）直流补偿2）直流和锁相放大3）致冷4）电磁屏蔽法5）磁场散焦法•〔4-10〕(a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写出各部分名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。(b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20μA/lm，阴极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为2cm2,各倍增极发射系数均相等（σ=4），光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳极电流。•(c)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。解:（a）如图（b）阴极电流：Ik=Sk·Φ=20x10-6·0.1x2x10-4=4x10-10A倍增系统的放大倍数:M=Ip/Ik=ε0(σxε)11=2.34x106阳极电流：Ip=M·Ik=936μA(c)''()200214936fooLffoopLpfLLfRVVRRRVVIRIRRRmvRA•〔5-2〕已知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW，光电导灵敏度Sg=0.5x10-6，暗电导g0=0，若给光敏电阻加偏置电压20V，此时入射CdS到光敏电阻上的极限照度为多少勒克司？解：光敏电阻的最大光电流62200200.510pgImAElxVSVpgISVEmax40220PmWImAUV•〔5-3〕光敏电阻R与RL=2kΩ的负载电阻串联后接于Vb=12V的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为V1=20mv，有光照时负载上的输出电压为V2=2V。求：1）光敏电阻的暗电阻和亮电阻值。2）若光敏电阻的光电导灵敏度Sg=6x10-6s/lx，求光敏电阻受到的照度。1211981011111116.7bdLLdbLLgddgVVRKRRRVVRKRRRSERRRRRElxSR•〔5-4〕已知CdS光敏电阻的暗电阻RD=10MΩ,在照度为100lx时亮电阻R=5kΩ,用此光敏电阻控制继电器，其原理电路如图5-17所示，如果继电器的线圈电阻为4kΩ,继电器的吸合电流为2mA,问需要多少照度时才能使继电器吸合？如果需要在400lx时继电器才能吸合，则此电路需作如何改进？763333333111110,210/510210'0.510'25012410210112400410750210DgDgDgDxxgDgSEgSslxRRSEgElxElxRRSEg•[6-6]图是用硒光电池制作照度计的原理图，已知硒光电池在100lx照度下，最佳功率输出时的Vm=0.3V,Im=1.5mA,如果选用100μA表头作照度指标，表头内阻为1KΩ，指针满刻度值为100lx，试计算电阻R1和R2值。6112211122100:0.3,1.5,100101.4()2/214mmmfmmlxVVImAIAIIIImAIRRVRkRVI•[6-9]图为一理想运算放大器，对光电二极管2CU2的光电流进行线性放大，若光电二极管未受光照时，运放输出电压V0=0.6。在E=100lx的光照下，输出电压V1=2.4V。求：（1）2CU2的暗电流；（2）2CU2的电流灵敏度66168/0.6/1.5100.4101001.2/1.210/1001.210/DofopDfEpIVRAVVElxIIIARSIEAlx[6-13]说出PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点，为什么PIN管的频率特性比普通光电二极管好？答：1：P140-1412：PIN光电二极管因由较厚的i层，因此p-n结的内电场就基本上全集中于i层中，使p-n结的结间距离拉大，结电容变小，由于工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电容变的更小，从而提高了p-n光电二极管的频率响应。[6-15]图6-84示出了用光电耦合器件隔离的又一种高压稳压电路，试说明它的工作原理及对光电耦合器的要求。工作原理：当外界电源电压或负载变化而导致输出电压升高时，电位器W上的分压也升高了，从而使三极管T3的基极电压升高，流过T3的电流增大，则流过光电耦合器中发光二极管的电流增大，该发光二极管的亮度增大，使GD310中光电三极管内流过较大的电流，这又使调整管T1和T2导通程度下降，从而导致输出电压回到稳定值。对光电耦合器的要求：调整管T1和T2需选用耐压较高的晶体管，电阻R4比滑动变阻器W、R5要大很多，当电位器C滑到b点时，要保证R5电阻的分压要稍大于0.7V，其它元件仍可选用普通的低压元件。[8-1]简述一维CCD摄像器件的基本结构和工作过程。见P200