光电检测技术课程作业及答案(打印版)概要

光电检测技术第1页共23页-思考题及其答案习题01一、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38m）到（0.78m）范围内的电磁辐射称为光辐射。2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。二、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米)。4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。三、简答题辐射照度和辐射出射度的区别是什么？答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接光电检测技术第2页共23页-收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。四、计算及证明题证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答：2224444RIRIdAdERdAdERII＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为122222222211221211001001010EELIELILILIERIELLLL又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光习题02一、填空题1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。二、概念题1、禁带、导带、价带：光电检测技术第3页共23页-禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。2、热平衡状态：在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。3、强光注入、弱光注入：强光注入：满足nnpnnn0pn0＝ni×ninn0Δnn＝Δpn条件的注入称为强光注入。弱光注入:满足nnpnnn0pn0＝ni×ninn0Δnn＝Δpn条件的注入称为弱光注入。4、非平衡载流子寿命τ：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。三、简答题1、掺杂对半导体导电性能的影响是什么？答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。2、为什么空穴的迁移率比电子的迁移率小？答：迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比电子的迁移率小。3、产生本征吸收的条件是什么？答：入射光子的能量（hν）至少要等于光电检测技术第4页共23页-材料的禁带宽度。即mEEhcgg24.10四、计算题1、本征半导体材料Ge在297K下其禁带宽度Eg=0.67(eV)，现将其掺入杂质Hg，锗掺入汞后其成为电离能Ei=0.09(eV)的非本征半导体。试计算本征半导体Ge和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。解：mmmEmmmEig778.1309.024.124.1851.167.024.124.102012、某种光电材料的逸出功为1Ev，试计算该材料的红限波长。（普朗克常数h＝6.626×10-34(J.s)，光速C＝2.998×108(m/s)，电子电量e＝1.6×10-19库仑）解：mmmchc24.1124.124.10000习题03一、概念题1、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或导电率发生变化，或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。2、光电发射第一定律：也称斯托列托夫定律。当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量φK成正比。3、光电发射第二定律：也称爱因斯坦定律。发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。二、简答题外光电效应和内光电效应的区别是什么？答：外光电效应是物质受到光照后向外发射电子的现象，而内光电效应是光电检测技术第5页共23页-物质在受到光照后产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部。习题04一、概念题1、光电探测器的响应度（或灵敏度）：光电探测器的输出电压Vo或输出电流Io与入射光功率P之比。2、热噪声：载流子无规则的热运动造成的噪声，又称为约翰逊噪声。3、信噪比：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比。4、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。二、简答题热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？答：热电检测器件特点：①响应波长无选择性，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。光电检测器件特点：①响应波长有选择性，存在某一截止波长λ0，超过此波长，器件没有响应。（λ＝10－2～20μm）②响应快，一般在纳秒到几百微秒。习题05一、简答题1、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？答：光电倍增管由光入射窗、光电阴极，电子光学输入系统(光电阴极到第一倍增极D1之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等构成。工作原理：光子透过入射窗入射到光电阴极K上。此时光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过电场加速和电子光学系统光电检测技术第6页共23页-聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。2、光电倍增管的供电电路注意哪些问题？答：(1)倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，常多采用电阻链分压办法供电。流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流Iam大10倍以上。(2)供电电源电压稳定性要求较高。(3)为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。(4)倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。二、计算题现有GDB-423光电倍增管的阴极有效面积为2cm2，阴极灵敏度为25μA/lm，倍增系统的放大倍数105，阳极额定电流为20μA，求允许的最大照度。解：lxmlmlmAmASAiEEAiiSAMiiMAiIkkkIaka04.004.0251021021021020224445习题06一、分析题光电检测技术第7页共23页-红外报警电路如图所示，分析它的工作原理？答：当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，光敏三极管的集电极为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为低电平，驱动继电器J工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管控制端有效，晶闸管导通，报警器正常工作。S为复位键。当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平，即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继电器不工作，开关保持断开状态，晶闸管控制端无效，报警器不工作。二、画图解释题用PN结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。习题07一、填空题热电探测器是将辐射能转换为（热）能，然后再把它转换为（电）能的器件。二、简答题光电检测技术第8页共23页-1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？答：热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。2、热电探测器与普通温度计有何区别？答：相同点：二者都有随温度变化的性能。不同点：温度计要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。3、简述辐射热电偶的使用注意事项。答：⑴由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动。⑵额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。⑶应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，损坏热电偶。⑷保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。⑸工作时环境温度不宜超过60℃。习题08一、概念题1、电极化：电介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但是它也是由带电粒子——电子和原子核组成的。在外电场的作用下，带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些变化。例如，加上电压后，正电荷平均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极。虽然其移动距离很小，光电检测技术第9页共23页-但电介质的一个表面带正电，另一表面带负电。称这种现象为电极化。2、居里温度：铁电体的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为居里温度（或居里点）。二、简答题1、为什么由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？答：⑴半导体材料制成的热敏电阻吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。⑵金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。2、简述热释电探测器的工作原理。答：当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片时，引起薄片的温度升高。因而表面电荷减少，这就“释放”了一部分电荷。释放的电荷通过放大器转换成输出电信号。如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也达到新的平衡，不再释放电荷。也就没有输出信号。而在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度有变化时才有输出信号。三、计算题1、可见光的波长、频率和光子的能量范围（给出计算公式）各是多少?光电检测技术第10页共23页-答：可见光的波长：0.38微米～0.78微米频率：3.85×1410HZ～7.89×1410HZ【利用公式n】光子能量：2.55×1910J～5.23×1910J【利用公式hE】2、一块半导体样品,有光照时电阻为50Ω，无光照时为5000Ω,求样品的光电导。答：有光照时的电导为：SG0205011.无光照时的电导为：SG00020500012.