复习总结

2020/5/41光电技术总复习主讲：扬州职业大学电子工程系贾湛2012.1贾湛制作2020/5/42光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCDCMOS热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器2020/5/43第一章光电技术基础1.辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：辐射度量——对辐射的物理（或客观）计量，适用于整个电磁辐射。光度量——对可见光的生理（或主观）的计量，只适用于0.38~0.78um光谱区域。光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于可见光谱区域，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一个客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公式中不能出现光度量。2020/5/442试写出Φe、Me、Ie、Le等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。dtdQeeddeeddIeeddeeIIddIcosdAdILeeddeeLLdAdMeedAdEeeddeeMMddeeEEAMdddAdEcosdAdILvvdtdQvvlmcdcd/m2lm/m2lx答：通量强度亮度出度照度辐射光光谱lm/m2辐射源物体W／sr·m2某方向看某点的W／m2某点的W／m2某点的W功率W/sr某方向的2020/5/451.3何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？cosNIIπeeMLπvvML即光强度余弦分布的光源称作余弦辐射体或朗伯辐射体。余弦辐射体亮度在各个方向一样。黑体为理想的余弦辐射体。余弦辐射体有如图满足答：1.4试举例说明辐射出射度Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。答：辐射出射度Me与辐射照度Ee都是表示单位面积上的功率，但Me是对辐射源的，Ee是对被照射物体的。2020/5/465．试说明Km、Kλ、KW的意义及区别。答：Kλ——人眼的明视觉光谱光视效能)()(m,e,vVKXXK对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有的辐射参量与所有的光度参量的关系。Km——为人眼的明视觉最灵敏波长λm（0.555um）的光度参量对辐射度参量的转换常数，称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为683lm/W。（暗视觉最灵敏波长λ'm=0.507um光视效能K'm=1725lm/W）在光电信息变换技术领域常用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏度等特性参数。KW——标准钨丝灯的光视效能，其值为17．1（lm/W）。e,me,)(LLV明视觉光谱光视效率Le,λm是与Le,λ对人眼刺激相同的最敏感的波长λm=0.555μm的光谱辐射亮度，即：e,me,)(LVL2020/5/471.7一束波长为0.5145μｍ输出功率为3W的氩离子激光束均匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每分钟接收多少个光子？解：φe,λ=3mW，查表得V（0.5145um）=0.6082光通量φv,λ=KmV(λ)φe,λ=683×0.6082×3=1.246×103lm光照度Ev=φv,λ/A=1.246×103/（0.2×10-4）=6.23×107lx屏幕光出射度为Mv,λ=0.8Ev=0.8×6.23×107=4.984×107lx每个光子的能量为hν=hc/λ，则屏幕每分钟接收的光子数目为N=φe,λ×60（1-0.8）/hν=3×60×0.2×0.5145×10-6/（3×108×6.63×10-34）=9.31×1019个/分钟2020/5/481.8试求一束功率为30mW、波长为0.6328μｍ激光束的光子流速率N。解：依题意，设光子流速率为N个/秒，则N=φv,λ/hν=φv,λλ/hc=30×10-3×0.6328×10-6/6.63×10-34×3×108=9.54×1016个/秒1.14若甲乙两厂生产的光电器件在色温2856K标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为Se=5μA/μW,Sv=0.4A/lm。试比较甲乙两厂光电器件灵敏度的高低。解：Sv甲KW=Se色温2856K标准钨KW=17.1lm/WSv甲=Se/KW=5/17.1=0.29A/lm而乙厂光电器件的光照灵敏度是Sv乙=0.4A/lm则：Sv乙Sv甲2020/5/491.11某半导体光电器件的长波限为13μm，求其杂质电离能ΔEi。1.19光电发射材料K2CsSb的光电发射长波限为680nm,求该光电发射材料的光电发射阈值。1.20已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4μｍ，计算该材料的禁带宽度。解题思路：AthEEAgthEEEP型半导体N型半导体)nm(1239ththLEEhc1.11ΔEi=Eth=1.24/13=0.095ev1.19Eth=1239/680=1.82ev1.20Eg=1.239/λL=1.239/1.4=0.886ev2020/5/410可见，与光通量无关与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间长度l的平方成反比。因为增大受光面积，可以提高光电导；减小两极间距离ｌ可以提高光电灵敏度。所以就将光敏电阻的形状制造成蛇形。2,ddhclqgSeg1.17在微弱辐射作用下，光电导材料的光电导灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？在微弱辐射作用下，半导体的光电导,2elhqg可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系。光电导灵敏度为答：2020/5/4111.18光生伏特效应的主要特点是什么？为什么说CO2激光器锗窗的两端产生伏特电压的现象是光子牵引效应而不是光生伏特效应激光器输出光的波长（10.6um）远远超过激光器锗窗材料的本征吸收长波限，不可能产生光电子发射。答：特点：①能否产生光生伏特效应与照射光的强度无关；但入射光能量必需大于禁带宽度（hν≥Eg），即存在波限。②因光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，则光电二极管的电流与入射辐射成线性关系：,)1(edΦehqI锗窗材料波限m77.1m7.024.1thLEhc光生伏特效应属于内光电效应2020/5/4122.1试说明为什么本征光电导器件在越微弱信号的辐射下，时间响应越长，灵敏度越高。第二章光电导器件2,ddhclqgSeg答：微弱光静态电导灵敏度这是平衡状态时的灵敏度。动态时有动态时的灵敏度)1(,eteNn)1(dd/2,tegehclqgS可见ｔ越大Sg越高2020/5/4132.2同一型号的光敏电阻来讲，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时间常数是否相同？为什么？在照度相同而温度不同时情况又会如何？同一型号的光敏电阻，其材料性质一样，只是决定了量子效率η和μ电子迁移率，而τ不确定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子浓度和热生电子浓度各异，决定了τ值不同，所以光照度和环境温度只有要一个不同，其光电导灵敏度和时间常数都不相同。解：)1(dd/2,tegehclqgS弱光τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。2020/5/4142.5设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2KΩ，且已知它在90~120lx范围内的γ=0.9。试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值？解：g=SgEγR=1/SgEγR/R0=(E0/E)γR=(E0/E)γR0=(100/110)0.9×2=1.84KΩ2.6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，在700lx的光照下的阻值为450Ω。试求该光敏电阻在550lx和600lx光照下的阻值？解：γ=lg(R2/R1)/lg(E1/E2)=0.6R3=(E1/E3)γR1=(500/550)0.6×550=520ΩR4=(E1/E4)γR1=(500/600)0.6×550=493Ω2020/5/4152.9试判别下列结论，正确的在括号里填T，错误的填F。（1）光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。（2）在测量某光电导器件的γ值时，背景光照越强，其γ值越小。（3）光敏电阻的恒压偏置电路比恒流偏置电路的电压灵敏度要高一些。（4）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高光敏电阻的阻值也随之升高。（5）光敏电阻的前例效应是由于被光照过后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长的时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断地减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间这一特性的描述。光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关，这称为光敏电阻的前例效应。2020/5/416没有光辐射时，二者是一样的；有光辐射时，硅整流二极管的伏安特性曲线不受光照的影响。硅光电二极管工作状态常处于反偏，全电流为负值，特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。若加正向电压大于0.7V，不能产生光电效应。3.1试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。答：第三章光生伏特器件2020/5/4173.2写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。硅光电二极管全电流方程为答：)1()1(,kTqUeIehqIDedDDedIeIehqIkTqU,)1(光电流Iφ亮电流暗电流扩散电流无辐射时电流2020/5/418（1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率。缺点是输出电流或电压与入射辐射间的线性关系很差，在实际测量电路中很少应用。（2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽，被广泛应用于光电检测与光电变换中。（3）零伏偏置电路。特点是输出的短路电流与入射辐射量成线性变化关系。这是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。3.7光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？答：AoUfRfC-+。2020/5/4193.8在室温为300K时，已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5mm×5mm）在辐射度为100mW/cm2时的开路电压为Uoc=550mV，短路电流ISC=6ｍＡ。试求：（1）室温情况下，辐照度降低到50mW/cm2时的开路电压为Uoc和短路电流ISC（2）当将该硅光电池安装在如图344所示的偏置电路中时，若测得输出电压U0=1V，求此时光敏面上的照度。AoUfR-+。24Ω2CR21105解：)1()1(,kTqUeIehqIDed短路U=0,)1(edscehqII可见I∝Φ（光通量）∝E（照度）则ISC1/ISC=E1/EISC2/ISC=E2/EISC1=6×50/100=3mAE2=U0E/RfISC=1×100/(24×103×6)=0.7mW/cm2U0=RfISC20伏偏置2020/5/420求开路电压)1()1(,kTqUeIehqIDed因IDIφ得由0)1(kTqUeIID得)1ln(DocIIqkTU)1ln(11DocIIqkTU63ln106.13001038.1)ln(192311IIqkTUUococ=-0.0018VUoc1=550-18=532mV2020/5/4213.15何谓PSD器件？PSD器件有几种基本类型？答：PSD即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有两种基本类型，即一维PSD器件和二维PSD器件。2020/5/4223.17选择最适当的答案填入括号中