光电技术习题

光电技术习题1．散粒噪声的产生原因：（C）（a）只有光子，才能产生散粒噪声。（b）只要有光子存在，就一定有散粒噪声。（c）只要有电流存在，就会产生散粒噪声。（d）只有信号电流，才会产生散粒噪声。（e）只有暗电流能够产生散粒噪声。2．噪声等效功率NEP的物理意义是：（e）（a）单位时间间隔内的光子数目。（b）单位时间内的光电子数目。（c）光探测器的最小噪声功率。（d）光探测器的最大电压或电流灵敏度。（e）光探测器可探测的最小信号光功率。3．PiN光电二极管是利用1.2.⎛⎞⎜⎟⎝⎠光导效应光伏效应制成的光电探测器件；它的量子效率1.2.2.⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠大于小于等于P-N结光电二极管的量子效率，这是因为它工作在1.2.3.⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠正向饱和反向饱和无偏压条件下，使耗尽层1.2.3.⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠变宽变窄不变的结果。4．本征光电导1.2.3.⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠大于等于小于非本征光电导，这是因为从吸收跃迁的结果来看1.2.⎛⎞⎜⎟⎝⎠本征非本征光电导同时产生1.⎛⎞⎜⎟⎝⎠不同2.相同的自由电子和空穴的结果。5．对于所有纯净的半导体材料来说，hν比禁带宽度gE1.2.3.⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠高的多低的多差不多的光都是“透明的”。6．已知本征半导体材料Ge在295K下，其禁带宽度Eg＝0.67(eV)，现将其掺入杂质Hg，在锗掺入汞后其成为电离能Ei＝0.09（eV）的非本征半导体。试计算本征半导体锗和非本征半导体锗掺汞所制成的光电导探测器的截至波长各为多少？解：根据公式：λγhchEg==gEhc=∴λ根据题意：本征半导体锗制成的光电导探测器的截止波长：（米）＝电子伏埃电子伏＝止61983431086.1106.167.01031063.6670104.12−−−×=×××××⋅•×=gEhcλ锗掺汞制成的光电导探测器的截止波长：（米）1038.1106.109.01031063.6＝电子伏090埃电子伏104.12＝5198343止−−−×=×××××⋅•×=gEhcλ7．已知某光探测器的等效噪声功率NEP＝9210−×w，且已知光探测器的光敏面面积20.5dAcm=，如果测量系统的带宽1fKHZΔ=，试计算此光探测器的探测率D和比探测率*D各为多少？解：据公式：NEPfADNEPDΔ⋅==∗d1及代入，并得出结果)(1051021189−−×=×=WD)(1012.1102105.02111093HzcmwD⋅⋅×=××=−−∗答：该探测器的探测率D为18105−×w。比探测率∗D为121101012.1−⋅⋅×wHzcm8．在光纤通信系统的光端机中，如果探测器采用量子效率25%η=的光电探测器，且已知通信光波长1.35mλμ=，当入射光功率2iPmw=时，试计算此时探测器输出的信号电流PI=?解：ληγηchPehPeIP⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=代入，并得出结果)(1043.51031063.61035.110225.0106.148346319AIP−−−−−×≈×××××××××=9．已知波长为300nm的单色光垂直入射到面积为42cm的光学表面上，如果光的强度为221.510wm−×，试计算每秒与此光学表面碰的光子的数目？解：Q每个光子能带地能量为34196.63106.6310hcEλ−××==××8－－7（焦耳秒）（310米/秒）＝焦耳310米Q总的能力通量为224255(1510/410)610610IAWm−−−=××××=×－米＝焦耳/秒∴与表面碰撞的光子数为：51319610/9.05106.6310JSJ−×=××－光子/秒答：每秒与此光学表面碰的光子的数目为139.0510×光子10．假设组成生物细胞有机分子的结合能为15电子伏，为了防止核射，试计算能使这种分子分离的光子的最大波长＝？解：3012.41015827hcEAλλλ×=∴∴Q电子伏埃电子伏＝＝11．已知波长为mμλ3.1=的光辐射入射到量子效率2.0=η的光电探测器上，当入射的平均光功率为10mw时，光电探测器输出的光电流是多少？解：根据公式A1021.0103.11031063.610102.0106.126834319−−−−−×=××××××××==νηhpeIp12．设某卫星观测站的大功率激光器的波长为1.06mμ，其输出功率为2kw，试计算每秒从这台激光器发射的光子数目？解：JhE2068341087.11006.11031063.6−−−×=××××==ν秒光子时间光子数2420-3101.07101.871102×=×××=∴13．已知本征硅材料的禁带宽度Eg＝1.2eV,求该半导体的本征吸收长波段。解：光子的能量表达式为hν，要使光生载流子发生跃迁，必须满足ghEν≥，把cνλ=代入前面的公式可得，ghcEλ≤，此即为本征半导体的长波限。由已知1.2gEeV=，和sevh⋅×=−1510136.4，smc/1038×=可知15864.136103101.034101.0341.2mmmλμ−−×⋅×≤=×=故所求的本征半导体的长波限为1.034微米。14．已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4um,试计算该材料的禁带宽度。解:由能带理论可知：要使载流子在导带和价带之间发生跃迁，入射光子的能量必须满足公式hEν≥Δ，其中EΔ为能带间的能量差。又00cνλ=，代入前面的式子可得器件的禁带宽度ihcEλ≤，其中h为普朗克常数，c为光在真空中的传播速度。由已知1.4mλμ=，和sevh⋅×=−1510136.4，smc/1038×=可知15864.136103100.8861.410iEeV−−×⋅×≤=×故所求的材料的禁带宽度为0.886电子伏特。15．已知某金属光电子发射体的逸出功5weVΦ=，波长10mλμ=的中红外辐射入射到该金属光电子发射体上，试问在这种情况下能否产生光电子发射？为什么？解：假设能产生光电子发射，则需要的入射光的红限频率hw/0φν=，即只有大于该频率的光波照射到该金属上才有可能逸出电子，故波长λ必须满足φλwhc≤由已知5weVΦ=，和sevh⋅×=−1510136.4，smc/1038×=可知mmmμλ24816.0104816.2510310136.47815=×=×⋅×≤−−而题中给出的波长是10mλμ=，不是上面计算的范围内，故在这种情况下不能产生光电子发射。16．若PN节在照度E1下的开路电压为Uoc1，求照度为E2下的开路电压Uoc2？17．在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为0.5cm2，若照度计测得的最大照度为100(lx)，试求1）标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？2)所发出的光通量为多少？3)它所发出的辐射通量又为多少？解：首先计算光电探头对标准钨丝灯所张的立体角再计算光电探头所接收的光通量)sr(1025.12105.05242−−×=×==ΩrAφv=EvS=100×0.5cm2=5.0×10-3(lm)因而可以计算出灯在该方向上的发光强度IvIv=φv/Ω=5.0×10-3/1.25×10-5=400(cd)灯所发出的光通量为灯所发出的辐射通量为18．某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328μm的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为0.96，设光速C=3×108m/s，普朗克常数h=6.626×10-34j·s，氦氖激光的视见函数V(6328)=0.268，试求：（1）幕的光照度为多少lx？（2）幕的反射出射度为多少lx？（3）幕每秒钟接收多少个光子？解：先将氦氖激光器输出单色辐射的辐射功率转换为光通量φvφv=KmV(λ)φe=683×0.268×6×10-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度应为Ev=φv/S=1.098/0.8×10-4=1.37×104(lx)幕的反射光照度为Evr=rEv=0.96×1.37×104=1.32×104(lx)幕每秒钟接收的光子为（个/秒）19．已知(1)光电倍增管的阴极灵敏度SK为20lmA/μ，阴极入射光的照度为lx1.0，阴极有效面积为22cm，各倍增极二次发射系数均相等（4=σ），光电子的收集率为0.98，各倍增极的电子收集率为0.95，试计算具有11级倍增系统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。解：(1)由题意可知：光电倍增管的放大倍数6111110＝2.38.398.0＝）495.0（98.0××××=G)mAAESGSGIGIKKKa92.01021.01020103.2466=××××××=×××=××=×=−−φ(2)最简单的前置电路放大图如下图所示：由左图可知()W2941.175000wve===KΦΦ)lm(50001025.14100.5453vv=×××=Ω=−−ππAEΦ1683436ee1091.110310626.6106106328.0×=××××××===−−−hcΦhΦNλνΩ≈==21792.0200PofIUR20．利用2CU1光电二极管和3DG40三极管构成如下图所示的探测电路。已知光电二极管的电流灵敏度Si＝0.4/AWμμ,其暗电流小于0.2Aμ,三极管3DG60C的电流放大倍数50β=，最高入射辐射功率为400Wμ时的拐点电压10MUV=。求获得最大电压输出时的Re值。若入射辐射功率由400Wμ减少到350Wμ时，输出电压变化量为多少？解：根据电路图可得：mASIp16.04004.0=×=Φ⋅=Φ由图可知：mAIIpe82.051)1(=×=+=β所以：)(98.087.01018Ω=−−=−=kIVVReMbbe输出的电压信号变化为：VRWSRIUee198.0504.015)1(=×××=⋅Δ⋅+=⋅Δ=ΔΦβ21．在室温300K时，已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5mm×5mm）在辐照度为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Uoc与短路电流Isc。（2）当将该硅光电池安装在下图所示的偏置电路中时，若测得输出电压Uo＝1V，求此时光敏面上的辐照度。_+A1052CR21U0Rf=24千欧解：设辐照度变成50mW/cm2时的输出开路电压分别为1OCU和1scI，则可知11scesceISIS×Φ=×Φ（1）式中S为光电池的灵敏度，1eΦ和eΦ分在辐照度为50mW/cm2和100mW/cm2下光电池上接收到的辐通量。根据题意把已知量代入（1）式可知115063100scscscIImAmAscΦ=×=×=Φ11100lnlnlnpppococpIIIkTkTkTUUqIqIqI−=−=11lnpococpIkTUUqI⇒=+把参数带入上式可得231191.38103003550ln542.21.6106ocUmVVmV−−××=+=×（2）由图可知放大器输入端的输入阻抗inZ是光电池的负载电阻，可表示为1finRZA=+,其中A为放大器的开环放大倍数，Rf是反馈电阻。由图中可知Rf为24kΩ，A510≥，则0.24inZ≤Ω，认为光电池处于短路工作状态。输出电压00scffUIRRSφ=⋅=⋅⋅式中，S为光电池的灵敏度，0φ为辐照度，由（1）式可得000/fescscescfURUIIIIRφφφφ⋅==⇒=⋅把已知量代入上式可得200.694/mWcmφ=22．现有一筷光敏面积为255mm×的硅光电池，其参数为27/SnAlxmm=⋅，要求用一个量程为10v的电压表做照度指标，测试照度分别为1000lx和100lx两档，试设计一个带有运放的照度计原理图及图中所需元件数值。解：设计图不是唯一的，以书上给的光电池的应用为参考设计如下：当E＝100lx光照射光电池时，产生的光电流71002517.5ISEAnAAμΦ=⋅⋅=××=由图可知输出电压)(10WFRRRIU++⋅−=Φ要使得光照E＝100lx时