光電檢測技術(shù)期末試卷試題

光電檢測技術(shù)期末試卷試題大全

1、光電器件的基本參數(shù)特性有哪些0

（響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度）口

率響應(yīng)口

效功率NEP口

2、光電信息技術(shù)是以什么為基礎(chǔ)，以什么為主體，研究和發(fā)展光電

信息的口

形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。□

（光電子學(xué)光電子器件）□

3、光電檢測系統(tǒng)通常由哪三部分組成口

（光學(xué)變換光電變換電路處理）o

4、光電效應(yīng)包括哪些口

外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)）Q

外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子一一多發(fā)生于金屬和金屬氧

化物。o

內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸

出物體外口

部一一多發(fā)生在半導(dǎo)體?！?/p>

內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?！?/p>

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

流子數(shù)顯口

著增加而電阻減少的現(xiàn)象。Q

光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬一半導(dǎo)體接觸面上時，會

在PN結(jié)或口

金屬一半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。o

5、光電池是根據(jù)什么效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，按用途

可分為口

哪幾種？□

（光生伏特效應(yīng)太陽能光電池和測量光電池）□

6、激光的定義，產(chǎn)生激光的必要條件有什么？o

（定義：激光是受激輻射的光放大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光泵諧振腔）o

7、熱釋電器件必須在什么樣的信號的作用下才會有電信號輸出？□

（交變輻射）□

8、CCD是一種電荷耦合器件，CCD的突出特點(diǎn)是以什么作為信號，

CCD的基口

本功能是什么？o

（電荷CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。）口

9根據(jù)檢查原理，光電檢測的方法有哪四種。o

（直接作用法差動測量法補(bǔ)償測量法脈沖測量法）□

10、光熱效應(yīng)應(yīng)包括哪三種?！?/p>

（熱釋電效應(yīng)輻射熱計效應(yīng)溫差電效應(yīng)）□

11、一般PSD分為兩類，一維PSD和二維PSD,他們各自用途是什么？口

（一維PSD主要用來測量光點(diǎn)在一維方向的位置；二維PSD用來測定

光點(diǎn)在平口

面上的坐標(biāo)。）Q

12、真空光電器件是基于什么效應(yīng)的光電探測器，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有

一個真空管，□

其他元件都在真空管中，真空光電器件包括哪兩類。Q

（外光電效應(yīng)光電管光電倍增管）口

二、名詞解釋口

1、響應(yīng)度口

（響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電檢測器輸出信號與輸入光功率之間

關(guān)系的度量。）□

2、信噪比口

（是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比）o

3、光電效應(yīng)口

（光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化。）Q

4、亮電流口

（光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）。無光照時，阻值很大，電流

（暗電流）0

很??；光照時，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場作用下,

光生載流口

子沿一定方向運(yùn)動，形成亮電流。）□

5、光電信號的二值化處理口

（將光電信號轉(zhuǎn)換成“0”或“1”數(shù)字量的過程稱為光電信號的二值

化處理。）口

6、亮態(tài)前歷效應(yīng)口

（亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測試或工作前處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作

時所要達(dá)到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象）口

7、熱釋電效應(yīng)口

（在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為

熱釋電效口

應(yīng)）D

8、暗電流口

9、暗態(tài)前歷效應(yīng)口

暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光

照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢。o

三、簡答口

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（10CT200V）時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強(qiáng)的電場，使進(jìn)入場區(qū)的光

生載流子獲得足夠的能量，在與原子碰撞時可使原子電離，而產(chǎn)生新的電

子一空穴對。只要電場足夠強(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)。）□

（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)。）□

（將被測非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件。共性：對被測非電量進(jìn)行

轉(zhuǎn)換。□

區(qū)別：敏感器是把被測量轉(zhuǎn)換為可用非電量，傳感器是把被測非電量

轉(zhuǎn)換為電口

量）「

4、發(fā)光二極管的工作原理。D

（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)

載流子口

是空穴，PN結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘，當(dāng)加上正向偏壓時，

在外電場口

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，構(gòu)成少數(shù)載流

子的注口

入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合。一個電子和

一個空口

穴對每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這個能

量會以口

熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。口

5、□

6、PIN型的光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)口

（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10

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+和口

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，對光口

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

的電子一空口

穴對，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ND

層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光

生電流中漂口

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)是頻口

帶寬，可達(dá)10GHz。缺點(diǎn)：由于I層的存在，管子的輸出電流小，

般多為零點(diǎn)口

幾微安至數(shù)微安。）□

7、熱輻射檢測器通常分為哪兩個階段？哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)。□

（第一步：是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升，這一步對各種熱探測

器都一樣；□

第二步：利用熱探測器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換為電量的變化。D

第二階段）□

8、光電檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成？作用分別是什么？□

（#光學(xué)變換口

時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬口

空域變換：光學(xué)掃描口

光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長、相位、偏振!]

形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。o

#光電變換口

光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大口

將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）?！?/p>

#電路處理口

放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。）D

9、簡述光電檢倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理口

（光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增

系統(tǒng)、和口

陽極5部分組成。o

10簡述CCD器件的結(jié)構(gòu)和工作原理口

（M0S電容器件+輸入輸出端=CC所

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的像敏單口

元上；o

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阱收集，匯

集到界面附口

近形成電荷包，存儲在像敏單元中。o

電荷包的大小與光強(qiáng)和積分時間成正比?！?/p>

電荷包在時鐘脈沖作用下，由轉(zhuǎn)移寄存器讀出?？?/p>

即在CCD柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在

半導(dǎo)體表面口

形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電

壓變化，使口

阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號。）□

11、簡述熱電偶的工作原理0

（熱電偶工作原理是基于賽貝克（eeback）效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)

體兩端連口

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。）o

12、光電二極管的工作模式有哪幾種？都分別用于什么場合？D

四、分析口

1、根據(jù)電路說明光電耦合器的作用。o

Q12D

2口

五、應(yīng)用題口

1、舉例說明脈沖方法測量長度的原理?！?/p>

（被測物體L在傳送帶上以速度v前進(jìn)，光電傳感器將物體的長度L

轉(zhuǎn)換成脈沖口

來開啟門電路，計數(shù)器將計下與脈寬對應(yīng)的高頻脈沖數(shù)N,則

L=vt=vkN=KN）□

2、舉例說明補(bǔ)償測量方法的原理口

（補(bǔ)償測量法是通過調(diào)整一個或幾個與被測物理量有已知平衡關(guān)系

（或已知其口

值）的同類標(biāo)準(zhǔn)物理量，去抵消（或補(bǔ)償）被測物理量的作用，使系

統(tǒng)處于補(bǔ)償口

或平衡狀態(tài)。處于補(bǔ)償狀態(tài)的測量系統(tǒng)，被測量與標(biāo)準(zhǔn)量具有確定的

關(guān)系，由此口

可測得被測量值，這種方法稱為補(bǔ)償法。）。□

3、舉例說明象限探測器的應(yīng)用。0

（四象限探測器主要被用于激光準(zhǔn)直、二維方向上目標(biāo)的方位定向、

位置探測等口

領(lǐng)域。）o

下圖為簡單的激光準(zhǔn)直原理圖。用單模激光器作光源。因?yàn)樗泻苄?/p>

的光束發(fā)散口

角，又有圓對稱界面的光強(qiáng)分布，很有利于作準(zhǔn)直用。圖中激光射出

的光束用倒口

置望遠(yuǎn)系統(tǒng)L進(jìn)行擴(kuò)束，倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)角放大率小，于是光束發(fā)散角

進(jìn)一步壓縮，Q

射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圓形亮斑。口

光電池AC、BD兩兩接成電橋，當(dāng)光束準(zhǔn)直時，亮斑中心與四象限管

十字溝道重口

合，此時電橋輸出信號為零。若亮斑沿上下左右有偏移時，兩對電橋

就相應(yīng)于光口

斑偏離方向而輸出電信號。哪個探測器被照亮斑的面積大，輸出信號

也大。這種口

準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場合作為測量基準(zhǔn)線口

?！?/p>

4、舉例說明光敏電阻的應(yīng)用口

（舉例一：照明燈的光電控制電路口

基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。o

基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電

路?？?/p>

基本原理：光暗時，光敏電阻的阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r,

光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。□

舉例二：把光敏電阻裝在大門上汽車燈光能照到的地方，把帶動大門

的電動機(jī)接口

在干簧管的電路中，那么夜間汽車開到大門前，燈光照射光敏電阻時,

干簧繼電器接通電動機(jī)電路，電動機(jī)帶動大門打開。口

置口

舉例三：天明告知裝口

）D

電子科技大學(xué)二零零七至二零零八學(xué)年第一學(xué)期期末考口

試口

課程成績構(gòu)成：平時20分，期中分，實(shí)驗(yàn)分，期末80分口

一、填空題（每空一分，共15分）口

1、入射光在兩介質(zhì)分界面的反射率與（）有關(guān)。o

2、已知本征硅的禁帶寬度Eg=1.2eV,則該半導(dǎo)體材料的本征吸收

長波限為口

（）。o

3、某一干涉儀的最高頻率為20MHz,選用探測器的時間常數(shù)應(yīng)小于

（）。口

4、溫度越高，熱輻射的波長就（）oo

5、光電檢測是以光信息的變換為基礎(chǔ)，它有（）和（□

）兩種基本工作原理?！?/p>

6、光電探測器的物理效應(yīng)通常分為（）、（）、（）o0

7、光電檢測系統(tǒng)主要由（）、（）、（）和（）?？?/p>

8、光電三極管的增益比光電二極管（），但其線性范圍比光電二極

管（）?？?/p>

二、判斷題（每題一分，共10分）口

1、PIN管的頻率特性比普通光電二極管好。（）口

2、提高載流子平均壽命能同時提高光電導(dǎo)器件的增益及其截止頻率。

（）D

3、有基極引線光電三極管可作為光電二極管和無基極引線光電三極

管使用。o

（）D

4、對光源進(jìn)行調(diào)制即可消除光源波動及背景光干擾的影響。（）□

5、光電二極管陣列中各單元面積減小，則其信號電流和暗電流同比

例減小。()□

6、陣列器件輸出的信號是數(shù)字信號。()□

7、光敏電阻受溫度影響大，通常工作在低溫環(huán)境下工作。()o

8、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度越高。()□

9、光電探測器件輸出的信號只有比噪聲大時，測量才能進(jìn)行。()□

10、光電池的頻率特性很好。()o

三、簡答題(每小題6分，共30分)口

1、總結(jié)原子自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射三個過程的基本特征?！?/p>

2、半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上、發(fā)光機(jī)理和工作特性上有

什么不同？□

3、說明為什么本征光電導(dǎo)器件在微弱的輻射作用下，時間顯影越長,

靈敏度越高。□

4、硅光電池的內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)在什么條件下硅光電池的輸出功

率最大口

5、光電三極管和普通三極管有什么不同？為什么說光電三極管比光

電二極管的輸出電口

流可以大很多倍？o

四、論述題(45分)D

1、試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接探測和外差探測技術(shù)

的應(yīng)用特口

點(diǎn)。（10分）口

2、寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項(xiàng)物理意義。（10分）口

3、試問圖『1（a）和圖17（b）分別屬哪一種類型偏置電路？為什么？

分別寫出輸口

出電壓U0的表達(dá)式。（12分口

）0

（a）（b）o

圖IT光敏電阻偏置電路口

3、闡述用差動法檢測溶液濃度的工作原理及工作過程。（13分）口

武漢理工大學(xué)考試試題紙（A卷）o

一、名詞解釋（每小題3分，總共15分）口

1.坎德拉（Candela,cd）2.外光電效應(yīng)3.量子效率4.象增強(qiáng)管5.本口

征光電導(dǎo)效應(yīng)二、填空題（每小題3分，總共15分）口

1.光電信息變換的基本形口

式、、、口

、、D

2.光電倍增管是一種真空光電器件，它主要由和口

組成。0

3.發(fā)光二極管(LED)是一種注入電致發(fā)光器件，他由P型和N型半導(dǎo)

體組合口

而成。其發(fā)光機(jī)理可以分為和口

4.產(chǎn)生激光的三個必要條件是。o

5.已知本征硅的禁帶寬度為Eg,要使該材料有光電子產(chǎn)生，其入射

光波的口

最大波長為口

三、如圖1所示的電路中，已知Rb=820Q,Re=3.3KQ,UW光敏電阻為

Rp,當(dāng)光照度為401某時，輸出電壓為6V,是為9V。設(shè)光敏電阻在

30~100之間的y值不變?？?/p>

試求：(1)輸出電壓為8V時的照度；圖1(2)若Re增加到6KQ,輸

出電壓仍然為8V度；D

(3)輸出電壓為8V時的電壓靈敏度。D

四、如果硅光電池的負(fù)載為RL。(10分)口

(1)、畫出其等效電路圖；o

(2)、寫出流過負(fù)載的電流方程及開路電壓和短路電流；□

(3)、標(biāo)出等效電路圖中電流方向。o

五、簡述PIN光電二極管的工作原理。為什么PIN管比普通光電二極管好?

(10分)口

六、1200V負(fù)高壓供電，具有11級倍增的光電倍增管，若倍增管的

陰極靈敏度SK為20uA/lm,陰極入射光的照度為0.1L某，陰極有效面積

為2cm2,各倍口

增極二次發(fā)射系數(shù)均相等（4）,光電子的收集率為00.98,各倍增極

的口

電子收集率為0.95o（提示增益可以表示為GO0N）（15分）口

（1）計算光電倍增管的放大倍數(shù)和陽極電流。Q

（2）設(shè)計前置放大電路，使輸出的信號電壓為200mV,求放大器的有

關(guān)參數(shù)，并畫出原理圖?！?/p>

七、簡述CCD的兩種基本類型，畫出用線陣CCD測量微小物體（小于

100微米）原理簡圖，并分析測量原理。（15分）口

八、一InGaAAPD管在倍增因子M=l,入射波長為1550nm時的量子效率口

=60%,加偏置電壓工作時的倍增因子M=12。（10分）口

1.如果入射功率為20nW,APD管的光電流為多少？D

2.倍增因子為12時，APD管的光譜響應(yīng)度為多少？o

光電技術(shù)A卷參考答案口

一、名詞解釋口

1.坎德拉（Candela,cd）：發(fā)光頻率為540310Hz的單色輻射，在口

給定方向上的輻射強(qiáng)度為l/683Wr-l時，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)口

度為Icdoo

2.外光電效應(yīng)：當(dāng)光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量hv足夠口

大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)表面，這口

種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱外光電效應(yīng)?！?/p>

3.量子效率：一定波長的光子入射到光電陰極時，該陰極所發(fā)射口

的光電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比值?！?/p>

4.象增強(qiáng)管：把微弱的輻射圖像增強(qiáng)到可使人直接觀察的真空光口

電成像器件?！?/p>

5.本征光電導(dǎo)效應(yīng)：本征半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入口

導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生口

光生自由空穴，使得材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。o

二、填空題口

1.信息載荷于光源的方式信息載荷于透明體的方式、信息載荷于口

反射光的方式、信息載荷于遮擋光的方式、信息載荷于光學(xué)量口

化器的方式和光通信方式的信息變換?！?/p>

2.光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極。o

3.PN結(jié)注入發(fā)光，異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光。D

4、5、Q

四、根據(jù)圖示為恒流偏置電路，流過穩(wěn)壓管的電流口

滿足穩(wěn)壓管的工作條件口

⑴當(dāng)4Vti

時，D

由得輸出電壓為6伏時電阻6K,Q

輸出電壓為9伏時電阻3K,故=1；D

輸出電壓為8VD

時，光敏電阻的阻值為口

=4KD

,帶入口

，解得E=601某口

(2)與上面(1)中類似，求出照度E=341某口

(3)電路的電壓靈敏度口

五、(1)光電池的等效電路圖口

(2)流過負(fù)載電阻的電流方程口

短路電流的表達(dá)式口

開路電壓的表達(dá)式口

(3)電流方向如圖所示口

六、當(dāng)光照射P—n結(jié)，只要人射光子能量大于材料禁帶寬度，就會

在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子一空穴對。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，空穴

順電場方向運(yùn)動，電子逆電場方向運(yùn)動，在開路狀態(tài)，最后在n區(qū)邊界積

累光電子，P區(qū)積累光生空穴，產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。

光電二極管在正偏置時，呈單向?qū)щ娦?，沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生，只有在反偏

置或零偏置時，才產(chǎn)生明顯的光電效應(yīng)。其基本結(jié)構(gòu)就是一個p-n結(jié)，屬

于結(jié)型光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射時，滿足條件hv>Eg,則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光

生載流子將被內(nèi)建電場拉開，于是在口

外電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移為主的光電流，顯然，光電

流比無光照射時的反向飽和電流大的多，如果光照越強(qiáng)，表示在同樣條件

下產(chǎn)生的光生載流子越多，光電流就越大，反之，則光電流越小。Q

對于PIN管，由于I層的存在，使擴(kuò)散區(qū)不會到達(dá)基區(qū)，從而減少了

或根本不存在少數(shù)載流子通過擴(kuò)散區(qū)的擴(kuò)散時間，而I層工作在反向，實(shí)

際是一個強(qiáng)電場區(qū)，對少子起加速的作用。即使I層較厚，對少子的度越

時間影響也不大，即提高了頻率響應(yīng)。同時，反偏下，耗盡層較無I層時

要大的多，從而使結(jié)電容下降，也提高了頻率響應(yīng)。□

七、□

CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界

面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道電荷耦合器件(SCCD)；另一

種是電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方

向傳輸，這類稱為體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件(BCCD)o原理：當(dāng)滿

足遠(yuǎn)場條件L>>d2/X時，根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式可得到口

d=KX/SinO(1)D

當(dāng)6很小時(即L足夠大時)Sin。仁18。=某1<4口

代入(1)式得d=D

==..(2)S——暗紋周期，5=某1</1(是相等的，則測細(xì)絲直徑d轉(zhuǎn)化為

用CCD測口

S測量簡圖口

八(1)SolutionThereponivityatM=lintermofthequantumefficiencyiQ

(2)IfIphoitheprimaryphotocurrentandOitheincidentg

opticalpowerthenbydefinitiong

othatg

1、光源選擇的基本要求有哪些口

答：①源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。按檢測的任務(wù)不

同，要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。

有時要求連續(xù)光譜，有時又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都

應(yīng)在選擇光源時加以滿足。②光對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求。為確保光電測試

系統(tǒng)的正常工作，對系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)有一定的要求?！?/p>

光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無法正常測試，光源強(qiáng)度過

高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時還可能損壞系統(tǒng)、待測物或光電探

測器，同時還會導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計時，必須

對探測器所需獲得的最大、最小光適量進(jìn)行正確估計，并按估計來選擇光

源。③對光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測試系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性有著不

同的要求。通常依不同的測試量來確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般

要求時，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時，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，可對發(fā)出光進(jìn)行采樣,

然后再反饋控制光源的輸出。④對光源其他方面的要求。光電測試中光源

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)測試系統(tǒng)的要求給以滿足口

2、光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電與正高壓供電，試說明這

兩種供電電路的特點(diǎn)，舉例說明它們分別適用于哪種情況口

答：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

為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有10?20mm,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

一個屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，則要注意安全。o

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輸出?？墒?，它可

獲得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲口

3、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

什么要把光敏電阻制造成蛇形？o

答：在微弱輻射下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，光電流與入射

光通量成正比，即保持線性關(guān)系?？?/p>

因?yàn)楫a(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很?。磘dr?。瑫r

光敏電阻集光面積如果太小而不實(shí)用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增

大了受光面積，又減小了極間距?？?/p>

9、為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應(yīng)？它必

須在那種偏置狀態(tài)？為什么？□

答：因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓

指數(shù)級在增加，所以有光照時，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-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，得到的光生電流就會明顯增加?！?/p>

二?論述光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說明各部分的功能?！?/p>

1、下面是一個光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖：0

（1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測系統(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信息?！?/p>

（2）被測對象及光學(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，利用口

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

攜帶上被檢測對象的特征信息、，形成待檢測的光信號。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)置在被檢測對象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)

按實(shí)際要求來決定。光信號匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測量

的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要?？?/p>

（4）光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測的核心部分。其主要作用是

以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將各種經(jīng)待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)

換成電信號（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)行信號的放大、處理、測量和控制等?！?/p>

（5）電信號的放大與處理：這一部分主要是由各種電子線路所組成。

光電檢測系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個問題：①實(shí)現(xiàn)對微弱信號

的檢測；②實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。o

（6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測系統(tǒng)只要求給出待測量

的具體值，即將處理好的待測量電信號直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。o

（1）對于圖a）所示的電路，光電信號是直接取出的，即UO=ILRL,而

對于b）圖，光電信號是間接取出的，UO=UC-ILRL；（2）兩種電路輸出的

光電信號電壓的幅值相等，但相位是相反的；（3）這兩種方法只適合照射

到P-N結(jié)上的光強(qiáng)變化緩慢和恒定光的情口

況，這時光電二極管的結(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。o

（4）當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時，光電信號難以取出，因此，

運(yùn)用反偏法檢測微弱的恒定光時不利的。□

3、如果硅光電池的負(fù)載為RL,畫出它的等效電路圖，寫出流過負(fù)載

IL的電流方程及Uoc、Ic的表達(dá)式，說明其含義（圖中標(biāo)出電流方向）。

（12分口

硅光電池的工作原理和等效電路為下圖：口

（a）光電池工作原理圖（b）光電池等效電路圖（c）進(jìn)一步簡化從

圖（b）中可以得到流過負(fù)載RL的電流方程為：D

iip-iDipiO（eqV/KTl）SEEiO（eqV/KTl）0

（1）□

其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，10是反向飽和

電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流?？?/p>

當(dāng)i=0時，RL=8（開路），此時曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱

為光電池開路時兩端的開路電壓，以VOC表示，由式（1）解得：口

VOCD

(4分)IpkTlnll(2)qOD

當(dāng)Ip》Io時，VOC（kT/q）ln（Ip/IO）0

當(dāng)RL=0（即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)）時所得的電流稱為光電流短

路電流，以Ic表示，所以口

Ic=Ip=Se2E（3）（4分）o

從式（2）和（3）可知，光電池的短路光電流Ic與入射光照度成正

比，而開路電壓Voc與光照度的對數(shù)成正比。o

1、為什么發(fā)光二極管的PN結(jié)要加正向電壓才能發(fā)光？而光電二極管

要零偏或反偏才能有光生伏特效應(yīng)？o

答：1.p-n結(jié)在外加正向偏壓時，外加電壓削弱內(nèi)建電場，使空間電荷

區(qū)變窄,載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(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)帶電子和價帶空穴的復(fù)合。一個電子和一個空穴的一次復(fù)合將釋

放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這些能量會以熱能、光能或部分熱

能和部分光能的形式輻射出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象，這就是LED的發(fā)光機(jī)

理?！?/p>

因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)

級在增加，所以有光照時，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)镻F結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流

要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加?？?/p>

2、簡述三種主要光電效應(yīng)的基本工作原理口

答：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度增大,

因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，是一種內(nèi)光電效應(yīng)。

材料對光的吸收有本征型和非本征型，所以光電導(dǎo)效應(yīng)也有本征型和非本

征型兩種。當(dāng)光照射PN結(jié)時，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就

會在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子一空穴對。光生電子一一空穴對就被內(nèi)建電場分離開來,

空穴留在P區(qū)，電子通過擴(kuò)散流向N區(qū)，這種光照零偏PN結(jié)產(chǎn)生開路電壓

的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng).當(dāng)光照射到某種物質(zhì)時，若入射的光子能量h足

夠大，那么它和物質(zhì)中的電子相互作用，可致使電子逸出物質(zhì)表面，這種

現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱為外光電效應(yīng)。o

3、光電探測器與熱電探測器在工作原理、性能上有什么區(qū)別？o

答：所謂光電效應(yīng)是指，光輻射入射到光電材料上時，光電材料發(fā)射

電子，或者其電導(dǎo)率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生感生電動勢的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實(shí)

質(zhì)上是入射光輻射與物質(zhì)中束縛于晶口

格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應(yīng)就對光波頻率

（或波長）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。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光

電效應(yīng)。具體有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光子牽引

效應(yīng)和光電磁效應(yīng)等。o

光熱效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是探測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，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動能量，引起探測元件

溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件與溫度有關(guān)的電學(xué)性質(zhì)或其他物

理性質(zhì)發(fā)生變化。原則上，光熱效應(yīng)對光波頻率（或波長）沒有選擇性，

因而物質(zhì)溫度的變化僅決定于光功率（或其變化率），而與入射光輻射的

光譜成分無關(guān)。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。光熱效應(yīng)包括熱釋電效應(yīng)、

溫差電效應(yīng)和測熱輻射計效應(yīng)等口

4、簡述光電探測器的選用原則口

答：（1）.光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹

配。（2）光電檢測器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。（3）光

電檢測器件的響應(yīng)特性必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配,

以保證得到?jīng)]有頻率失真和良好的時間響應(yīng)。（4）光電檢測器件必須和輸

入電路以及后續(xù)電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性

范圍、信噪比以及快速的動態(tài)響應(yīng)等。D

5、簡述光電池、光電二極管的工作原理及區(qū)別？o

答：光電池和光電二極管都是基于光伏特效應(yīng)的原理進(jìn)行工作，只不

過光電池可以工作在零偏狀態(tài)下，是光伏工作模式,器件內(nèi)阻遠(yuǎn)低于負(fù)載電

阻,相當(dāng)于一個恒壓源;而光電二極管必須在反偏電壓下才能工作,是光電

導(dǎo)工作模式,器件內(nèi)阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻,此時器件相當(dāng)于一個恒流源.口

1、敘述光電池低輸入阻抗和高輸入阻抗放大電路的特點(diǎn)和區(qū)別，各

應(yīng)用于什么場合？（10分）口

答：當(dāng)光電池后接低輸入阻抗放大電路時，其工作在短路或線性電流

放大狀態(tài)，這是一種電流變換狀態(tài)，要求硅光電池送給負(fù)載電阻RL（這

時RIXRm,且RL—0）的電流與光照度成線性關(guān)系。如果需要放大信號，

則應(yīng)選用電流放大器。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能

小，才能使輸出電流盡可能大，即接近短路電流Ic,因?yàn)橹挥卸搪冯娏?/p>

才與入射光照度有良好的線性關(guān)系。另外，在短路狀態(tài)下器件的噪聲電流

較低，信噪比得到改善，因此適用于弱光信號的檢測?！?/p>

當(dāng)光電池后接高輸入阻抗放大電路時，其工作在線性電壓輸出和空載

電壓輸出（開路電壓輸出）狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電阻很小甚至接近于零的時候，

電路工作在短路及線性電流放大狀態(tài)；而當(dāng)負(fù)載電阻稍微增大，但小于臨

界負(fù)載電阻Rm時，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，此時RL〈Rm,這種工

作狀態(tài)下，在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能夠得到與輸入光通量近似成正比的信號

電壓，增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但能引起輸出信號的非線性畸變。

工作在線性電壓放大區(qū)的光電池在與放大器連接時，宜采用輸入阻抗高的

電壓放大器?！?/p>

空載電壓輸出是一