簡答題——光電檢測(cè)技術(shù)期末整理

1、簡答題光電檢測(cè)技術(shù)期末整理 1、雪崩光電二極管的工作原理 （當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓（100200V)時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，在與原子碰撞時(shí)可使原子電離，而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加，達(dá)到載流子的雪崩倍增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應(yīng)。） 2、光生伏特效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系？ （共性：同屬于內(nèi)光電效應(yīng)。區(qū)別：光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，而光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。） 什么是敏感器？敏感器與傳感器的區(qū)別和聯(lián)系？ （將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件。共性：對(duì)被

2、測(cè)非電量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 區(qū)別：敏感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用非電量，傳感器是把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量） 發(fā)光二極管的工作原理。 （在PN結(jié)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(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘，當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN 結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。一個(gè)電子和一個(gè)空穴對(duì)每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。 說明光子器件與熱電器件的特點(diǎn)。 光子器件 響應(yīng)波長有選擇性，一般有截 止波長，超過該波長，器件無

3、 響應(yīng)。 響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需 要的時(shí)間短， 一般為納秒到幾 百微秒 熱電器件 響應(yīng)波長無選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感 響應(yīng)慢，一般為幾毫秒 PIN型的光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn) （它的結(jié)構(gòu)分三層，即P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)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(zhì)擴(kuò)散，在兩面制成歐姆接觸而得到PIN光電二極管。原理：層很厚，對(duì)光的吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，因而大幅度提供了光電轉(zhuǎn)換效率，從而使靈敏度得以很高。兩側(cè)P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾

4、乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。特點(diǎn)： PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。缺點(diǎn):由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。） 熱輻射檢測(cè)器通常分為哪兩個(gè)階段？哪個(gè)階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)。 （第一步：是熱探測(cè)器吸收紅外輻射引起溫升，這一步對(duì)各種熱探測(cè)器都一樣； 第二步：利用熱探測(cè)器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換為電量的變化。 第二階段） 8、光電檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成？作用分別是什么？ 1.論述光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說明各部分的功能。（10分） 下面是一個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖： (4分) （1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢

5、測(cè)系統(tǒng)中必不可少的一部分。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍和一定發(fā)光空間、分布的光源，以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測(cè)信息。 （2）被測(cè)對(duì)象及光學(xué)變換：這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過這一環(huán)節(jié)時(shí)，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測(cè)對(duì)象的特征信息，形成待檢測(cè)的光信號(hào)。光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。 （3）光信號(hào)的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測(cè)對(duì)象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實(shí)際要求來決定。光信號(hào)匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待

6、測(cè)量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要。 （4）光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心部分。其主要作用是以光信號(hào)為媒質(zhì)，以光電探測(cè)器為手段，將各種經(jīng)待測(cè)量調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電流、電壓或頻率），以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的放大、處理、測(cè)量和控制等。 （5）電信號(hào)的放大與處理：這一部分主要是由各種電子線路所組成。光電檢測(cè)系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個(gè)問題：實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。 （6）存儲(chǔ)、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測(cè)系統(tǒng)只要求給出待測(cè)量的具體值，即將處理好的待測(cè)量電信號(hào)直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。 9、簡述光電檢倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 （光電倍增管主要由入射窗口、

7、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)、和陽極5部分組成。 1光照射到陰極轉(zhuǎn)換成電子，出射到下一電極。 2電子撞到下一電極，倍增，更多的電子出射，直奔下一電極。 .3經(jīng)過若干次倍增，到達(dá)陽極，形成信號(hào)電流。） 10簡述CCD器件的結(jié)構(gòu)和工作原理 （MOS電容器件+輸入輸出端=CCD Ccd的工作原理：由目標(biāo)發(fā)射來的光學(xué)圖像，經(jīng)透鏡聚焦后成像在CCD的像敏單元上； 在耗盡層中或距耗盡層為一定范圍內(nèi)的光生電子迅速被勢(shì)阱收集，匯集到界面附近形成電荷包，存儲(chǔ)在像敏單元中。 電荷包的大小與光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。 電荷包在時(shí)鐘脈沖作用下，由轉(zhuǎn)移寄存器讀出。 即在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，

8、則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號(hào)。） 11、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(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。） / 三、簡答題（共 46 分） 4、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點(diǎn)？為什么要把光敏電阻造成蛇形？（8 分） 光電導(dǎo)器件的響應(yīng)時(shí)間（頻率特性）受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻率 哪個(gè)高？實(shí)際使用時(shí)如何改善其工作頻率響應(yīng) ？（8 分） 答：在微弱輻射作用

9、下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，輸出光電流與入射光通量成正比， 即保持線性關(guān)系。 光敏電阻做成蛇形，一方面既可以保證有較大的受光面積，一方面減小電極之間的距離，從 而既可以減小載流子的有效極間渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。 2、響應(yīng)時(shí)間主要受光電導(dǎo)器件中載流子的平均壽命 有關(guān)，減小 ，則頻率響應(yīng)提高；其 次，光電導(dǎo)器件的響應(yīng)時(shí)間與運(yùn)用狀態(tài)也有光，例如，光照強(qiáng)度和溫度的變化，因?yàn)樗鼈兌?影響載流子的壽命。 光伏特器件的工作頻率高于光電導(dǎo)器件。 要改善光伏器件的頻率響應(yīng)，主要是減小響應(yīng)時(shí)間，所以采取的措施主要有： 減小負(fù)載電阻；減小光伏特器件中的結(jié)電容，即減小光伏器件的受光面積；適當(dāng)增加 工作電

10、壓。 6、 試問圖 2 (a) 和圖 2(b)分別屬哪一種類型偏置電路？為什么？分別寫出輸出電壓 U0 的表達(dá)式。 （10 分） 答：都屬于共射極電路， 3、如果硅光電池的負(fù)載是R,畫出等效電路。寫出流過負(fù)載I的電流方程及Uoc,Isc的表達(dá)式，說明含義 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(jìn)一步簡化 (4分) 從圖（b）中可以得到流過負(fù)載RL的電流方程為： i?ipiD?ip?is0(eqV/KT?1)?SEE?is0(eqV/KT?1) （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

11、出現(xiàn)的暗電流。 (2分) 當(dāng)i0時(shí)，RL（開路），此時(shí)曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱為光電池開路時(shí)兩端的開路電壓，以VOC表示，由式（1）解得： VOC? （2）.。kT?Ip。（4分） ?ln?1?q?I0? 當(dāng)IpIo時(shí)，VOC?(kT/q)ln(Ip/I0) 當(dāng)RL0（即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)）時(shí)所得的電流稱為光電流短路電流，以Isc表示，所以IscIpSeE （3）。（4分） 從式（2）和（3）可知，光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開路電壓Voc與光照度的對(duì)數(shù)成正比。 4.光伏探測(cè)器的工作模式分為哪幾種？為什么（分類依據(jù)）？他們的主要區(qū)別？（10 分） 答:光伏探測(cè)器的工作

12、模式分為光電導(dǎo)工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式則由外偏 壓回路決定。在零偏壓的開路狀態(tài)，PN 結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，這種工作原理成 光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏電壓，即外加 P 端為負(fù)，N 端為正的電壓時(shí)。無光照時(shí)的 電阻很大，電流很?。挥泄庹諘r(shí)，電阻變小，電流就變大，而且流過它的光電流隨照度變化 而變化。從外表看，PN 結(jié)光伏探測(cè)器與光敏電阻一樣，同樣也具有光電導(dǎo)工作模式，所以 稱為光導(dǎo)工作模式。 主要區(qū)別：器件處于光伏工作模式時(shí)，器件內(nèi)阻遠(yuǎn)低于負(fù)載電阻，相當(dāng)于一個(gè)恒壓源；在光 電導(dǎo)模式下，器件內(nèi)阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，此時(shí)器件相當(dāng)于恒流源。 論述題（共 26 分） 1.為什么說光

13、外差檢測(cè)方式是具有天然檢測(cè)微弱信號(hào)的能力？（ 12分） （第六章） 而中頻電流輸出對(duì)應(yīng)的電功率為： 所以， 這里的橫線是對(duì)中頻周期求平均。 從物理過程的觀點(diǎn)看， 直接探測(cè)是光功率包絡(luò)變換的檢波過程； 而光頻外差探測(cè)的光電 轉(zhuǎn)換過程不是檢波，而是一種“轉(zhuǎn)換”過程，即把以 S 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以 IF 為 載頻的中頻電流上，這一“轉(zhuǎn)換”是本機(jī)振蕩光波的作用，它使光外差探測(cè)天然地具有一種 轉(zhuǎn)換增益。 為了衡量這種轉(zhuǎn)換增益的量值，我們以直接探測(cè)為基準(zhǔn)加以描述。為此令 把（1）和（2）式代入（3）中得到： ，其中 R L 為光電探測(cè)器的負(fù)載電阻。 通常在實(shí)際應(yīng)用中， PL >> PS

14、因此 M>>1, M 的大小和 PS 的量值有關(guān)。例如假定 PL = 0.5mw ，那么在不同的 PS 值下，M 值將發(fā)生明顯變化。列舉數(shù)值如表 1 所示： 從表 1 的數(shù)值舉例中看出， 在強(qiáng)光信號(hào)下， 外差探測(cè)并沒有多少好處， 在微弱光信號(hào)下， 外差探測(cè)器表現(xiàn)出十分高的轉(zhuǎn)換增益。例如，在 也 就是說，外差探測(cè)的靈敏度比直接探測(cè)將高 量級(jí)時(shí)， 量級(jí)，所以我們可以 說，光外差探測(cè)方式具有天然的探測(cè)微弱信號(hào)的能力。 三、簡答：（每小題6分，共30分） 1、簡述半導(dǎo)體的工作原理，它有哪些特點(diǎn)？對(duì)工作電源有什么要求？ 半導(dǎo)體激光器（LD）工作原理：半導(dǎo)體材料是LD的激活物質(zhì)，在半導(dǎo)體的兩個(gè)

15、端面精細(xì)加工磨成解理面而構(gòu)成諧振腔。半導(dǎo)體p-n結(jié)在內(nèi)建電場(chǎng)下達(dá)到平衡；當(dāng)外加正偏壓時(shí)，外加電壓削弱內(nèi)建電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在p-n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，復(fù)合產(chǎn)生能量釋放，部分以光的形式釋放出來，由于解理面諧振腔的共振放大作用實(shí)現(xiàn)受激反饋，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射而輸出激光。 特點(diǎn)：體積小、重量輕、壽命長、具有高的轉(zhuǎn)換效率，從紫外到紅外均可發(fā)光，輸出功率從幾mw到幾百mw，在脈沖輸出時(shí)，可達(dá)數(shù)W，單色性比He-Ne激光器差。 對(duì)工作電源的要求是穩(wěn)定 2、光源選擇的基本要求有那些？ 源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測(cè)系統(tǒng)的要求。按檢測(cè)的任務(wù)不同，要

16、求的光譜范圍也有所不同，如可見光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時(shí)要求連續(xù)光譜，有時(shí)又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對(duì)光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時(shí)加以滿足。 光對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求。為確保光電測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，對(duì)系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)有一定的要求。光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過小，以至無法正常測(cè)試，光源強(qiáng)度過高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時(shí)還可能損壞系統(tǒng)、待測(cè)物或光電探測(cè)器，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)探測(cè)器所需獲得的最大、最小光適量進(jìn)行正確估計(jì)，并按估計(jì)來選擇光源。 對(duì)光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。通常依不同的測(cè)試量來確定。穩(wěn)

17、定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進(jìn)行月化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對(duì)發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后再反饋控制光源的輸出。 對(duì)光源其他方面的要求。光電測(cè)試中光源除以上幾條基本要求外；還有一些具體的要求。如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布等等，這些方面都應(yīng)該根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求給以滿足。 3、光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電和正高壓供電，說明兩種電路各有什么特點(diǎn)？ 采用陽極接地，負(fù)高壓供電。這樣陽極輸出不需要隔直電容，可以直流輸出，一般陽極分布參數(shù)也較小?？墒窃谶@種情況下，必須保證作

18、為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有1020mm ，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當(dāng)大地增加陽極暗電流和噪聲。如果靠近管 殼處再加一個(gè)屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，則要注意安全。 采用正高壓電源就失去了采用負(fù)高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)在陽極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容，因此只能得到交變信號(hào)輸出?？墒?，它可獲得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲。 5、為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒有明顯的光電效應(yīng)？它必須在哪種偏置狀態(tài)？為什么？ 因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。 p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜

19、-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。 四、論述題（45分） 2.在“反向偏置”電路中，有兩種取得輸出電壓U0的方法：一種是從負(fù)載電阻RL上取得電壓U0，另一種是從二極管兩端取得電壓U0。敘述兩種方法的特點(diǎn)及它們之間的聯(lián)系。（10分） 2、在“反向偏置”電路中，兩種取得輸出電壓U0的方法：一種是從負(fù)載電阻RL上取得電壓U0，如圖a所示，另一種是從二極管兩端取得電壓U0，如圖b所示。 (1)對(duì)于圖a）所示的電路，光電信號(hào)是直接取出的，即U0=ILRL，而對(duì)于b）圖，光電信號(hào)是間接取出的，U0=UC-ILRL； (3分) (2)兩種電路輸出的光電信號(hào)電壓的

20、幅值相等，但相位是相反的； (3分) (3)這兩種方法只適合照射到PN結(jié)上的光強(qiáng)變化緩慢和恒定光的情況，這時(shí)光電二極管的結(jié)電容不起作用，二極管本身的串聯(lián)電阻很小，實(shí)際上可以略去不計(jì)。 (2分) (4)當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時(shí)，光電信號(hào)難以取出，因此，運(yùn)用反偏法檢測(cè)微弱的恒定光時(shí)不利的。 (2分) 1在光度單位體系中，基本單位是如何定義的。什么是光視效能？ 在光度體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉（1分）。 ?10Hz定義為一個(gè)光源發(fā)出頻率為540的單色輻射，如果在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為 1683，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為12?1坎德拉（2分）。

21、 光度量和輻射度量之間可以用光是效能與光視效率聯(lián)系起來。光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。即光視效能K?定義為同一波長下測(cè)得的光通量與輻射通量的比之，即 4 說明光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)各自特點(diǎn)。 1. 光子效應(yīng)：指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子K?v?e?單位：流明/瓦特（lm/W）。 狀態(tài)的改變。（2分） 特點(diǎn)：光子效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。（1分） 2. 光熱效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把

22、吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。（2分） 特點(diǎn)：原則上對(duì)光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。（1分） （在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)紅外線輻射的探測(cè)。） 二 簡答題，共30分，每題6分（要求簡單扼要） 1光電探測(cè)器性能參數(shù)包括哪些方面。（得分點(diǎn)：回答為什么制定性能參數(shù)得2分，具體參數(shù)每兩個(gè)得1分，共4分，本題總分6分） 為了評(píng)價(jià)探測(cè)器性能優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)具體需要合理正確選擇光電探測(cè)器件的目的，制定了一套性能參數(shù)。 通常包括積分靈敏度，也成為響應(yīng)度，

23、光譜靈敏度，頻率靈敏度，量子效率，通量閾和噪聲等效功率，歸一化探測(cè)度及工作電壓、電流、溫度及入射光功率允許范圍。 2光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)(給出兩種效應(yīng)的概念得2分,給出兩種效益的特點(diǎn)得2分,對(duì)兩種效能的探測(cè)器時(shí)間特性能進(jìn)行簡單說明得2分) 答：光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。因?yàn)?，光子能量是h，h是普朗克常數(shù), 是光波頻率，所以，光子效應(yīng)就對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。 光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測(cè)元件吸

24、收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量h的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)紅外線輻射的探測(cè)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。值得注意的是，以后將要介紹一種所謂熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于材料的溫度變化率，比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應(yīng)用。 3請(qǐng)簡要說出InSb和PbS光敏電阻的特

25、性。（得分點(diǎn)：每種光敏電阻有1分，寫出光敏電阻的主要參數(shù)得4分，本題總分6分） （1）PbS近紅外輻射探測(cè)器 ,波長響應(yīng)范圍在13.4m，峰值響應(yīng)波長為2m,內(nèi)阻（暗阻）大約為1M,響應(yīng)時(shí)間約200s（2）InSb在77k下,噪聲性能大大改善,峰值響應(yīng)波長為5m,響應(yīng)時(shí)間短（大約5010-9s） 4為什么說光電池的頻率特性不是很好?（得分點(diǎn)：2個(gè)因素，每一個(gè)得分3分，本題總分6分） 答:光電池總的來說頻率特性不是很好,這是由于兩個(gè)方面的原因: 第一,光電池的光敏面一般做的較大,因而極間電容較大;第二,光電池工作在第四象限,有較小的正偏壓存在,所以光電池的內(nèi)阻較低,而且隨入射光功率變差,因此光電

26、池的頻率特性不好. 1、溫度變化與自發(fā)極化強(qiáng)度有何關(guān)系？ 答：晶體的整體溫度的微小變化T產(chǎn)生自發(fā)極化強(qiáng)度Ps的變化可表示為Ps=PT式中P為熱釋電系數(shù)矢量，一般有三個(gè)分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsidT(單位ck) ? 在與電熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps軸垂直的表面內(nèi)出現(xiàn)的束縛電荷面密度等于Ps，晶體內(nèi)部電荷中和束縛電荷的平均時(shí)間=r這里為晶體的介電常數(shù)，r為晶體的電導(dǎo)率，多數(shù)熱釋電晶體值在11000s之間。 2、熱電勢(shì)探測(cè)器能否測(cè)量直流信號(hào)？為什么？ 答：用于人體的熱釋電探測(cè)器，它的工作波長為715m，人體輻射為9m，圖中被測(cè)物體（或人體）所輻射的紅外線經(jīng)過遮光盤的調(diào)制產(chǎn)生調(diào)制頻率為

27、?的紅外光照攝熱釋電晶體，當(dāng)?>1時(shí)，晶體內(nèi)自由電荷來不及中和表面束縛電荷的變化結(jié)果就使在垂直于極化強(qiáng)度Ps的兩端面間出現(xiàn)交流電壓，在端面上敷以電極，并接上負(fù)載電阻就有電流通過，在負(fù)載R兩端就有交流電壓輸出，設(shè)溫度變化率為dTdt，極化強(qiáng)度Ps對(duì)時(shí)間的變化率為dPsdt，電極面積為A，則AdPsdt就相當(dāng)于電路上的電流，于是電壓輸出與溫度變化率成正比。 3、硅光電池為什么使用梳狀電池？ 答：梳狀電極：大面積光敏面采用梳狀電極可以減少光載流子的復(fù)合，從而提高轉(zhuǎn)換率，減少表面接觸電阻。 4、為什么有些光敏二極管在制作PN結(jié)的同時(shí)還做出一個(gè)環(huán)極？ 答：無光照時(shí)反向電阻很大（M級(jí)）只有打在PN結(jié)

28、附近，使PN結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層）產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)時(shí)它們與P區(qū)、N區(qū)的少數(shù)載流子一起在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下做定向移動(dòng)形成光電流，此時(shí)它的反向電阻大為降低，一般只有1K到幾百歐，當(dāng)負(fù)偏壓增加時(shí)耗盡層加寬使光電流增大，靈敏度提高，光電流與入射光照度成線性關(guān)系。 光敏二極管的缺點(diǎn)：暗電流較大 為了減少無光照時(shí)反向漏電流（暗電流）的影響有些光敏二極管（如2DU型）在制作PN結(jié)的同時(shí)還做出一個(gè)環(huán)形的擴(kuò)散層引出的電極稱為環(huán)極，如圖所示因環(huán)極電位比負(fù)極電位高所以反向漏電流（暗電流）直接從環(huán)極流過而不再經(jīng)過負(fù)極從而可以減少負(fù)極與正極之間的暗電流。 5、兩種高速的光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理？（PIN、APD）

29、 答：PIN光電二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：P層和N層之間增加了一層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)I 增加I區(qū)優(yōu)點(diǎn)：（1）因?yàn)镮區(qū)相對(duì)的P區(qū)和N區(qū)是高阻，在反偏的工作情況下，它承受極大部分電壓降，使耗盡區(qū)增大，這樣展寬了光電轉(zhuǎn)換有效工作區(qū)，使靈敏度增大 （2）又因?yàn)镻IN結(jié)光電二極管的工作電壓是很高的反偏電壓，使PIN結(jié)的耗盡層加寬，電場(chǎng)強(qiáng)光生電流加速因而大幅度減少了載流子在結(jié)構(gòu)內(nèi)漂移時(shí)間元件的響應(yīng)速度加快 電路特點(diǎn)：反偏電壓高 APD光電二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在光照時(shí)P+層受光子能量激發(fā)的電子從所帶電躍遷到導(dǎo)帶，在高電場(chǎng)作用下，電子從高速通過P層產(chǎn)生碰撞電離，形成大量新生電子空穴對(duì)，并且它們也從電場(chǎng)中獲得高能量與從

30、P+層來的電子一起再次碰撞P區(qū)的其他原子，又產(chǎn)生大批新生電子 6、光纖傳感器種類？ 答：光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器，它是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，既感知信息又傳輸信息，所以又稱傳感型光纖傳感器。另一類是非功能型傳感器，又稱NF型光纖傳感器，它是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自于遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱為傳光型光纖傳感器。 8、光電導(dǎo)效應(yīng)：在物質(zhì)受到輻射光的照射后，材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等）的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：是指受到光輻射的作用后，產(chǎn)

31、生電子發(fā)射的現(xiàn)象。 內(nèi)光電效應(yīng)：是指受到光照射的物質(zhì)內(nèi)部電子能量狀態(tài)產(chǎn)生變化，但不存在表面發(fā)射電子的 現(xiàn)象。 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。 光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。 本征光電導(dǎo)效應(yīng)：只有光子能量m大于材料禁帶寬度Eq的入射光，才能激發(fā)出電子空穴對(duì)，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象 光熱效應(yīng)：某些物質(zhì)受到光照后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)回路產(chǎn)生電流 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：是指雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主

32、或者受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象 10、光電管、光電倍增管的光譜特性取決于什么、結(jié)構(gòu)和原理 答：光電管：光譜特性陰極材料不同時(shí)，對(duì)不同波長的光敏感度不同工作原理和結(jié)構(gòu)如圖。光電倍增管：光譜響應(yīng)寬特別是對(duì)紅光和紅外光。工作原理：陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場(chǎng)作用而獲得較大的能量，當(dāng)電子以足夠的速度打到倍增電極上時(shí)，倍增電極便會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，使得向陽極方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)目成倍的增加，經(jīng)過多極倍增，最后到達(dá)陽極被收集而形成陽極電流隨著光信號(hào)的變化、在倍增極不變的條件下，陽極電流也隨光信號(hào)而變化達(dá)到把小的光信號(hào)變成大的電信號(hào)的目的。結(jié)構(gòu)：光陽極

33、K，倍增極D，陽極A 11、為什么功能型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上是連續(xù)的？ 答：功能型傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件既感知信息又傳輸信息，光纖與被測(cè)對(duì)象相互作用時(shí)光纖本身的結(jié)構(gòu)參量（尺寸和形狀）發(fā)生變化，光纖的傳光特性發(fā)生相關(guān)變化，光纖中的光波參量受到相應(yīng)控制即在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿搅吮粶y(cè)對(duì)象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測(cè)對(duì)象的信息，另一層意思，光纖與被測(cè)對(duì)象作用時(shí)，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量并不發(fā)生變化，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化，攜帶了待測(cè)信息 13、PIN結(jié)光電二極管增加了一層I區(qū)有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答：（1）因?yàn)镮區(qū)相對(duì)于P區(qū)的高阻，在反偏的工作情況下，它承受極大部分電壓降使

34、耗盡區(qū)增大，這樣展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)，使靈敏度增大（2）又因?yàn)镻IN結(jié)光電二極管的工作電壓是很高的反偏電壓，使PIN結(jié)的耗盡層加寬電場(chǎng)強(qiáng)光生電流加速，因而大幅度減少了載流子在結(jié)構(gòu)漂移時(shí)間，元件的響應(yīng)速度加快 14、為什么說光纖傳感器不受電磁場(chǎng)干擾？ 答：因?yàn)楣饫w傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖是一種多層結(jié)構(gòu)的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成的電絕緣耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠 15、試畫出激光多普勒光纖測(cè)速系統(tǒng)的原理圖，說明其工作原理？ 答：圖中He-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，分束鏡把激光分成兩路，在兩束光經(jīng)匯聚透鏡L1把它們匯聚成焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)附近兩束光形成涉場(chǎng)、流體流經(jīng)這一范圍時(shí)，

35、流體中的微小顆粒對(duì)光進(jìn)行散射聚焦透鏡L2把這些散射光聚焦在光電倍增管上，產(chǎn)生包含流速信息的光電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娮泳€路處理可測(cè)出流體的流速 17、光敏電阻原理，如何構(gòu)成？它的亮電阻、暗電阻是什么級(jí)別、它們之比是什么范圍？ 答：在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極，便構(gòu)成光敏電阻，當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb時(shí)，便有電流Ip流過，用檢流計(jì)可以測(cè)到該電流，改變照射到光敏電阻上的光度量，發(fā)現(xiàn)流過光敏電阻的電流Ip將發(fā)生變化，說明光敏電阻的阻值隨入射光輻射照度變化而變化，暗電阻為M級(jí)，亮電阻為幾千歐的下之比可達(dá)10210000000（暗與亮） 1、（5分）簡述光電三極管的工作原理

36、。 光電三極管的工作原理分為兩個(gè)過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。就是將兩個(gè)pn結(jié)組合起來使用。以NPN型光電三極管為例，基極和集電極之間處于反偏狀態(tài)，內(nèi)建電場(chǎng)由集電極指向基極。光照射p區(qū)，產(chǎn)生光生載流子對(duì)，電子漂移到集電極，空穴留在基極，使基極與發(fā)射極之間電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光照越強(qiáng)，由此形成的光電流越 2、（5分）簡述聲光相互作用中產(chǎn)生布喇格衍射的條件以及布喇格衍射的特點(diǎn)。 產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射。(3分) 特點(diǎn)：衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+1級(jí)（或?1級(jí)）衍射光

37、，合理選擇參數(shù)，并使超聲場(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到1級(jí)（或1級(jí)）（2分）。 3、（5分）什么是熱釋電效應(yīng)？熱釋電器件為什么不能工作在直流狀態(tài)？ 熱釋電效應(yīng)： 熱釋電晶體吸收光輻射溫度改變，溫度的變化引起了熱電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應(yīng)。（3分） 根據(jù)熱釋電效應(yīng)，熱釋電探測(cè)器的電流和溫度的變化滿足i?dT dt，如果照射光是恒定的，那 么溫度T是恒定值，電流為零，所以熱電探測(cè)器是一種交流器件。（2分） 1. 什么是內(nèi)光電效應(yīng)？（5分） 光照射在半導(dǎo)體材料上，能改變材料電導(dǎo)效應(yīng)或產(chǎn)生光生伏特效應(yīng) 2. 說出PIN管、雪崩光電二極管的工作原理和各自特點(diǎn)，為什么PIN管的頻率特性比普通光電二極管好？（10分） PIN快速光電二極管、消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間,在P區(qū)與N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層、耗盡層厚度增加，增大了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，提高了量子效率。結(jié)電容小，增加了對(duì)長波的吸收，提高了長波靈敏度，可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬。 雪崩光電二極管摻雜濃度均勻,缺陷少,漏電流小, APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子受強(qiáng)電場(chǎng)