中國計(jì)量學(xué)院光電檢測復(fù)習(xí)課

考試題型及分?jǐn)?shù)分布選擇題（20分）（10道小題）簡答題（25分）（5道小題）計(jì)算題（55分）（共五個(gè)）共七道大題！1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？輻射度量適用于整個(gè)電磁波段。光度量適用于可見光波段。輻射度量是客觀物理量光度量包括生理心理學(xué)等概念在內(nèi)。2、輻射度學(xué)和光度學(xué)的幾個(gè)物理量？

1）輻射通量Φe2）輻射強(qiáng)度Ie

3）輻射出度Me4）輻射照度Ee為了描述顯示器的每個(gè)局部面元在各個(gè)方向的輻射能力，最適合的輻射度量是（）

A輻射照度B輻射強(qiáng)度

C輻射出度D輻射亮度

1）輻射通量Φv2）輻射強(qiáng)度Iv

3）輻射出度Mv4）輻射照度Ev3、輻射度學(xué)和光度學(xué)參量的換算？式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。4、黑體和灰體？某一溫度下灰體的輻射具有與同溫度下黑體相似的光譜能量分布特性。問題：灰體與同溫度的黑體是否具有相同的峰值波長？5、幾種類型的半導(dǎo)體材料？N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體在費(fèi)米能級，被電子填充的幾率等于不被電子填充的幾率。f(EF)=0.56、費(fèi)米能級一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級用費(fèi)米能級Ef描述：本征半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體7、半導(dǎo)體材料對光的吸收？(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體本征吸收雜質(zhì)吸收波長增大8、光電導(dǎo)效應(yīng)？當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)(雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng))－－雜質(zhì)吸收－－本征吸收8、光伏效應(yīng)？一塊半導(dǎo)體，P區(qū)與N區(qū)的交界面稱為PN結(jié)。PN結(jié)受到光照時(shí)，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。擴(kuò)散==漂移平衡PN結(jié)正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變小反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變大9、光生電動(dòng)勢與光電流＋－

光電流方向光生電動(dòng)勢方向光電流方向與普通二極管電流相反光電流光照下PN結(jié)的電流方程：普通二極管電流10、PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)論：PN結(jié)加正向偏壓，不利于結(jié)區(qū)光生電子、空穴對的分離，光電效應(yīng)不明顯。11、光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。－－又稱外光電效應(yīng)。逸出物質(zhì)表面的電子叫做光電子。

－－光電發(fā)射－－本征吸收－－雜質(zhì)吸收結(jié)論：－－截止波長對比波長增大光電發(fā)射雜質(zhì)吸收本征吸收12、金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

半導(dǎo)體發(fā)射閾值:發(fā)光效率：光源發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比。照明領(lǐng)域發(fā)光效率越高越好。13、輻射效率和發(fā)光效率輻射效率：給定波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比。14、光電器件基本參數(shù)1）響應(yīng)度是表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號能力的特性參數(shù)，又稱為靈敏度。

2）噪聲等效功率和探測率

當(dāng)探測器輸出的信號電流I(或電壓U)等于探測器本身的噪聲電流(或電壓)均方根值時(shí)，入射到探測器上的信號輻射通量稱為噪聲等效功率（簡稱NEP）3）噪聲等效功－－又稱為最小可探測功率14、光電器件基本參數(shù)4）比探測率

15、光電導(dǎo)器件利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器－－又稱為光敏電阻。本征型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：注意雜質(zhì)型：1.常用N型2.極低溫度下工作

同種半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能ΔEd或ΔEa比本征半導(dǎo)體的電離能Eg小得多，所以它的長波限比本征探測器的長波限長得多。在非本征探測器中，雜質(zhì)原子的濃度遠(yuǎn)比基質(zhì)原子的濃度低得多。在常溫下雜質(zhì)原子束縛的電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)量。這時(shí)長波光照在它上面已無束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導(dǎo)Δσ為零或很微弱。為使雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器正常工作，必須降低它的使用溫度，使熱激發(fā)載流子濃度減小，才能增加光激發(fā)載流子濃度，以提高相對電導(dǎo)率Δσ／σd。為什么雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器a常用于中遠(yuǎn)紅外探測；b通常必須在低溫條件下工作？弱光照條件下光電導(dǎo)響應(yīng)的兩個(gè)基本結(jié)論：（1）響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）等于載流子壽命且為常數(shù)（2）穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)與產(chǎn)生率成線性關(guān)系，即與輻射通量成正比具有光電導(dǎo)馳豫過程光電導(dǎo)探測器平均光電流由此可得到兩個(gè)結(jié)論：(1).光電導(dǎo)探測器為受控恒流源

(2).光電導(dǎo)探測器光敏面做成蛇形1.光電導(dǎo)增益－－光電導(dǎo)探測器的內(nèi)增益，也稱為光電導(dǎo)增益提高M(jìn)值減少電極間的間距L適當(dāng)提高工作電壓2.光電導(dǎo)靈敏度弱光，光電導(dǎo)靈敏度：

S/1m，S/1xS/μW，S/μW/cm23.光電特性和γ值光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱光電特性Sg比例系數(shù)，與材料有關(guān)α為電壓指數(shù)，～1γ＝

0.5~1－－照度指數(shù)強(qiáng)光－－γ為0.5弱光－－γ為1弱光－－線性（測量）強(qiáng)光－－非線性（控制）

照度指數(shù)γ值實(shí)用的光電特性參數(shù)：暗電阻～MΩ亮電阻～KΩ4.頻率特性

最高頻率

~104HZ≈10KHZ響應(yīng)時(shí)間~ms量級響應(yīng)時(shí)間：

1.光－電載流子平均壽命

（較大）

2.外接電路的時(shí)間常數(shù)（可忽略）光電導(dǎo)探測器的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。C恒流偏置電路RL>>RP

特點(diǎn):信噪比高－－弱信號檢測恒壓偏置電路RL<<RP

特點(diǎn):輸出信號與光敏電阻無關(guān)－－更換16、光伏器件利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探測器，簡稱PV（Photovoltaic）探測器，也稱結(jié)型光電器件。PN結(jié)受到光照時(shí)，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)：光伏探測器：1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流方程

伏安特性

等效電路（意義：分析與計(jì)算）1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流源普通二極管

2.開路電壓Uoc和短路電流Isc負(fù)載電阻RL→∞，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓負(fù)載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流--開路電壓短路電流

3.響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光伏效應(yīng)示意圖響應(yīng)時(shí)間：擴(kuò)散時(shí)間～10-9s漂移時(shí)間～10-11s電路時(shí)間常數(shù)

1.5×10－9s光伏探測器與光電導(dǎo)探測器相比較有何不同?(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同，光電導(dǎo)探測器是均值型，光無論照在它的哪一部分，受光部分的電導(dǎo)率都要增大，而光伏探測器是結(jié)型，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才產(chǎn)生光伏效應(yīng)。（2）光電導(dǎo)探測器沒有極性，工作時(shí)必須外加偏壓，而光伏探測器有確定的正負(fù)極，不需外加偏壓也可以把光信號變?yōu)殡娦盘枴＃?）光電導(dǎo)探測器的光電效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子中的多子產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較大，同此，響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。而光伏探測器的光伏效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少子漂移運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較小，因此，響應(yīng)速度快，頻響響應(yīng)特性好。光電池，光電二極管，光電三極管對比E0QRL1E1E2RL3RL2RL6VIRL4RL5內(nèi)阻小，光敏面大，小負(fù)載時(shí)線性好線性好，光敏面小，頻響好，恒流源弱光和強(qiáng)光時(shí)非線性，恒流源PIN和雪崩光電二極管?1）耗盡層變寬，結(jié)電容變?。瓬p小時(shí)間常數(shù)2）提高光電變換區(qū)域－量子效率提高－靈敏度提高3）提高對長波的吸收－增大長波響應(yīng)率高反壓(100～200V)強(qiáng)電場載流子加速

碰撞新載流子雪崩倍增－－光電流的放大提高靈敏度提高響應(yīng)速度反向偏置電路自偏置電路零伏偏置電路光伏探測器的三種偏置電路自偏置電路自偏置電路。特點(diǎn)是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)具有最大輸出功率。其缺點(diǎn)在于輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關(guān)系很差，在實(shí)際測量電路中很少應(yīng)用1．短路或線性電流放大區(qū)2．空載電壓輸出區(qū)3．功率放大區(qū)1．短路或線性電流放大區(qū)RL0=0(運(yùn)放虛短)放大器的輸入電阻為：ri

=0～10Ω線性放大區(qū)：線性好、輸出光電流大，暗電流近似為零、信噪比好，適合弱光信號檢測。自偏置電路2．空載電壓輸出區(qū)RL～1MΩ光電池處于接近開路狀態(tài)光照，輸出電壓從0跳躍到0.45～0.6V空載電壓輸出區(qū)：具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不需偏置電源，適合于開關(guān)或控制電路

自偏置電路零伏偏置電路兩種零伏偏置電路：0自偏置：負(fù)載電阻為零

反偏置：反偏壓很小或?yàn)榱?/p>

零伏偏置電路。光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流與入射輻射量成線性變化關(guān)系。因此，零伏偏置電路是理想的電流放大電路，適合于對微弱輻射信號的檢測。反向偏置電路反向偏置電路特點(diǎn)：－－靈敏度、頻帶寬度和光電變換線性范圍反向偏置電路。光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光生伏特器件的線性范圍和光電變換的動(dòng)態(tài)范圍加寬，被廣泛應(yīng)用于大范圍的線性光電檢測與光電變換中?；痉聪蚱秒娐愤x擇負(fù)載電阻RL和偏置電壓Ub

：－－標(biāo)出拐點(diǎn)M

Uo=?IpRf

NegativeElectronAffinity，簡稱NEA電子親和勢EA

真空能級與導(dǎo)帶底能級之差稱為電子親和勢電子親和勢越小，材料發(fā)射光電子的能力越強(qiáng)。真空能級低于導(dǎo)帶底能級？？？17、光電發(fā)射器件負(fù)電子親和勢陰極體內(nèi)：P型表面：N型表面電子，能級Ec1入射光子體內(nèi)電子，能級Ec1表面逸出電子E0-Ec1<0體內(nèi)有效電子親和勢:

EAe=E0-EC1<0負(fù)電子親和勢陰極NEA的最大優(yōu)點(diǎn)：－－量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多光電發(fā)射過程分析：熱電子－－受激電子能量超過導(dǎo)帶底的電子冷電子－－能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！

NEA的優(yōu)點(diǎn)：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、暗電流極小5、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻光電倍增管Photomultiplier,簡稱PMT結(jié)構(gòu)：光窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)電子倍增系統(tǒng)陽極光電陰極作用:1)光電轉(zhuǎn)換能力2)長波波長閾值3)決定整管靈敏度電子倍增極1）二次電子發(fā)射材料一次電子二次電子二次電子發(fā)射系數(shù)：電子倍增極二次發(fā)射過程：a.材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激發(fā)的電子稱為內(nèi)二次電子；b.內(nèi)二次電子中初速指向表面的那部分向表面運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中因散射而損耗能量；c.如果到達(dá)界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢壘的能量，即溢出表面成為二次電子。光電發(fā)射和二次電子發(fā)射異同？二次電子發(fā)射系數(shù)：二次發(fā)射系數(shù)與一次電子能量關(guān)系增大Ep，δ值反而下降不同材料δmax

金屬：0.5～1.8半導(dǎo)體和介質(zhì)：5～6負(fù)電子親和勢材料：500~δ隨Ep增大而增大Epmax約為100～1800eV電流增益陽極電流與陰極電流之比稱為電流增益M（內(nèi)增益）

例如：δ=4，n=10，M~106

－－光電增益M>>1電流增益的穩(wěn)定性：例如，

n＝9～12，測量精度1%電源電壓穩(wěn)定度0.1%。光電倍增管的增益特性？光電倍增管各倍增極的發(fā)射系數(shù)δ與哪些因素有關(guān)？電流放大倍數(shù)表征光電倍增管的增益特性，它不但與倍增極材料的二次發(fā)射系數(shù)δ有關(guān)，而且與光電倍增管的級數(shù)n有關(guān)，光電倍增管的各倍增極的發(fā)射系數(shù)δ與一次電子的加速電壓Vd、倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。（1）弱光，例如光譜儀，開狹縫（2）線性，用于模擬量測量時(shí)重要光譜特性近紅外遠(yuǎn)紫外可見光短波限－－窗口材料限制

長波限－－陰極材料限制

光譜特性近紅外光紫外光可見光對比光譜響應(yīng)范圍：PE探測器PV探測器紫外光可見光紅外－－遠(yuǎn)紅外光PC探測器紫外光可見光紅外－－極遠(yuǎn)紅外光伏安特性陰極伏安特性陽極伏安特性：光電二極管伏安特性：恒流源－－計(jì)算和分析方法相同UM=？V，UA=？V信號輸出電路－－用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：1.良好的線性2.良好頻率響應(yīng)特性3.轉(zhuǎn)換效率高較大的負(fù)載電阻1.頻率響應(yīng)變差2.飽和引起非線性

UM=？V，UA=？V18、光電耦合器件用于邏輯門電路

三個(gè)基本部分：光電變換部分電子光學(xué)部分電光變換部分19、像管基本結(jié)構(gòu)原理三大功能變換光譜：將紅外、紫外的輻射圖像變成可見圖像增強(qiáng)亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺響應(yīng)峰值光學(xué)成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學(xué)圖像CCD電荷存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出20、CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理CCD