思考題及其答案習題01一、填空題1、通常把對應于真空中波長在（0.38）到（0.78）范圍內的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類，一類是（輻射度學量），另一類是(光度學量)。3、光具有波粒二象性，既是（電磁波），又是（光子流）。光的傳播過程中主要表現為（波動性），但當光與物質之間發生能量交換時就突出地顯示出光的（粒子性）。二、概念題1、視見函數：國際照明委員會（CIE）根據對許多人的大量觀察結果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數。2、輻射通量：輻射通量又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率，單位為瓦(1W=1J/s)，是單位時間內發射、傳播或接收的輻射能。3、輻射亮度：由輻射表面定向發射的的輻射強度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為(瓦每球面度平方米)。4、輻射強度：輻射強度定義為從一個點光源發出的，在單位時間內、給定方向上單位立體角內所輻射出的能量，單位為W／sr(瓦每球面度)。三、簡答題輻射照度和輻射出射度的區別是什么？答：輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴展輻射源向外發射的輻射特性。四、計算及證明題證明點光源照度的距離平方反比定律，兩個相距10倍的相同探測器上的照度相差多少倍？答：習題02一、填空題1、物體按導電能力分（絕緣體）（半導體）（導體）。2、價電子的運動狀態發生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是（具有能向電子提供能量的外力作用）、（電子躍入的那個能級必須是空的）。3、熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數有關：一是在能帶中（能態的分布），二是這些能態中（每一個能態可能被電子占據的概率）。4、半導體對光的吸收有（本征吸收）（雜質吸收）（自由載流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半導體對光的吸收主要是（本征吸收）。二、概念題1、禁帶、導帶、價帶：禁帶：晶體中允許被電子占據的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據的，此范圍稱為禁帶。導帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應的能帶稱為價帶。2、熱平衡狀態：在一定溫度下，激發和復合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態，此時載流子濃度即為某一穩定值。3、強光注入、弱光注入：強光注入：滿足nnpn>>nn0pn0＝ni×ninn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱為強光注入。弱光注入:滿足nnpn>nn0pn0＝ni×ninn0>Δnn＝Δpn條件的注入稱為弱光注入。4、非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產生到復合之前的平均存在時間。三、簡答題1、摻雜對半導體導電性能的影響是什么？答：半導體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導帶容易得多。因此雖然只有少量雜質，卻會明顯地改變導帶中的電子和價帶中的空穴數目，從而顯著地影響半導體的電導率。2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率小？答：遷移率與載流子的有效質量和平均自由時間有關。由于空穴的有效質量比電子的有效質量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小。3、產生本征吸收的條件是什么？答：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度。即四、計算題1、本征半導體材料Ge在297K下其禁帶寬度Eg=0.67(eV)，現將其摻入雜質Hg，鍺摻入汞后其成為電離能Ei=0.09(eV)的非本征半導體。試計算本征半導體Ge和非本征半導體鍺汞所制成的光電導探測器的截止波長。解：2、某種光電材料的逸出功為1Ev，試計算該材料的紅限波長。（普朗克常數h＝6.626×10-34(J.s)，光速C＝2.998×108(m/s)，電子電量e＝1.6×10-19庫侖）解：習題03一、概念題1、光電效應：當光照射到物體上使物體發射電子、或導電率發生變化，或產生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性的改變統稱為光電效應。2、光電發射第一定律：也稱斯托列托夫定律。當入射光線的頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發射電流IK與被陰極所吸收的光通量φK成正比。3、光電發射第二定律：也稱愛因斯坦定律。發射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強無關。二、簡答題外光電效應和內光電效應的區別是什么？答：外光電效應是物質受到光照后向外發射電子的現象，而內光電效應是物質在受到光照后產生的光電子只在物質內部運動而不會逸出物質外部。習題04一、概念題1、光電探測器的響應度（或靈敏度）：光電探測器的輸出電壓Vo或輸出電流Io與入射光功率P之比。2、熱噪聲：載流子無規則的熱運動造成的噪聲，又稱為約翰遜噪聲。3、信噪比：在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率之比。4、量子效率：在某一特定波長上每秒鐘內產生的光電子數與入射光量子數之比。二、簡答題熱電檢測器件和光電檢測器件的特點是什么？答：熱電檢測器件特點：①響應波長無選擇性，它對從可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感。②響應慢，吸收輻射產生信號需要的時間長，一般在幾毫秒以上。光電檢測器件特點：①響應波長有選擇性，存在某一截止波長λ0，超過此波長，器件沒有響應。（λ＝10－2～20μm）②響應快，一般在納秒到幾百微秒。習題05一、簡答題1、光電倍增管的基本結構與工作原理是什么？答：光電倍增管由光入射窗、光電陰極，電子光學輸入系統(光電陰極到第一倍增極D1之間的系統)、二次發射倍增系統及陽極等構成。工作原理：光子透過入射窗入射到光電陰極K上。此時光電陰極的電子受光子激發，離開表面發射到真空中。光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增后，光電子就放大N次。經過倍增后的二次電子由陽極a收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓。2、光電倍增管的供電電路注意哪些問題？答：(1)倍增管各電極要求直流供電，從陰極開始至各級的電壓要依次升高，常多采用電阻鏈分壓辦法供電。流過電阻鏈的電流IR至少要比陽極最大的平均電流Iam大10倍以上。(2)供電電源電壓穩定性要求較高。(3)為了不使陽極脈動電流引起極間電壓發生大的變化，常在最后幾級的分壓電阻上并聯電容器。(4)倍增管供電電路與其后續信號處理電路必須要有一個共用的參考電位，即接地點。二、計算題現有GDB-423光電倍增管的陰極有效面積為2cm2，陰極靈敏度為25μA/lm，倍增系統的放大倍數105，陽極額定電流為20μA，求允許的最大照度。解：習題06一、分析題紅外報警電路如圖所示，分析它的工作原理？答：當光信號被阻擋時，光敏三極管處于截止狀態，光敏三極管的集電極為高電平，即三極管基極為高電平，三極管飽和導通，三極管的集電極為低電平，驅動繼電器J工作，使開關閉合，電路形成回路，晶閘管控制端有效，晶閘管導通，報警器正常工作。S為復位鍵。當有光信號時，光敏三極管處于導通狀態，光敏三極管的集電極為低電平，即三極管基極為低電平，三極管截止，三極管的集電極為高電平，驅動繼電器不工作，開關保持斷開狀態，晶閘管控制端無效，報警器不工作。二、畫圖解釋題用PN結簡圖表示出光生電壓的極性和光生電流的方向。習題07一、填空題熱電探測器是將輻射能轉換為（熱）能，然后再把它轉換為（電）能的器件。二、簡答題1、熱電探測器與光電探測器比較，在原理上有何區別？答：熱電探測器件是利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產生溫升來工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各種波長的輻射對于響應都有貢獻。因此，熱電探測器件的突出特點是，光譜響應范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應，光譜特性曲線近似為一條平線。2、熱電探測器與普通溫度計有何區別？答：相同點：二者都有隨溫度變化的性能。不同點：溫度計要與外界有盡量好的熱接觸，必須達到熱平衡。熱電探測器要與入射輻射有最佳的相互作用，同時又要盡量少的與外界發生熱接觸。3、簡述輻射熱電偶的使用注意事項。答：⑴由半導體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時應避免振動。⑵額定功率小，入射輻射不能很強，它允許的最大輻射通量為幾十微瓦，所以通常都用來測量微瓦以下的輻射通量。⑶應避免通過較大的電流，流過熱電偶的電流一般在1微安以下，決不能超過100微安，因而千萬不能用萬用表來檢測熱電偶的好壞，否則會燒壞金箔，損壞熱電偶。⑷保存時不要使輸出端短路，以防因電火花等電磁干擾產生的感應電流燒毀元件。⑸工作時環境溫度不宜超過60℃。習題08一、概念題1、電極化：電介質的內部沒有載流子，所以沒有導電能力。但是它也是由帶電粒子——電子和原子核組成的。在外電場的作用下，帶電的粒子也要受到電場力的作用，它們的運動也會發生一些變化。例如，加上電壓后，正電荷平均講來總是趨向陰極，而負電荷趨向陽極。雖然其移動距離很小，但電介質的一個表面帶正電，另一表面帶負電。稱這種現象為電極化。2、居里溫度：鐵電體的極化強度與溫度有關，溫度升高，極化強度減低。升高到一定溫度，自發極化就突然消失，這個溫度稱為居里溫度（或居里點）。二、簡答題1、為什么由半導體材料制成的熱敏電阻溫度系數是負的，由金屬材料制成的熱敏電阻溫度系數是正的？答：⑴半導體材料制成的熱敏電阻吸收輻射后，材料中電子的動能和晶格的振動能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價帶躍遷到導帶成為自由電子，從而使電阻減小，電阻溫度系數是負的。⑵金屬材料制成的熱敏電阻，因其內部有大量的自由電子，在能帶結構上無禁帶，吸收輻射產生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動的加劇，卻妨礙了電子的自由運動，從而電阻溫度系數是正的，而且其絕對值比半導體的小。2、簡述熱釋電探測器的工作原理。答：當紅外輻射照射到已經極化了的鐵電薄片時，引起薄片的溫度升高。因而表面電荷減少，這就“釋放”了一部分電荷。釋放的電荷通過放大器轉換成輸出電信號。如果紅外輻射繼續照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也達到新的平衡，不再釋放電荷。也就沒有輸出信號。而在穩定狀態下，輸出信號下降到零，只有在薄片溫度有變化時才有輸出信號。三、計算題1、可見光的波長、頻率和光子的能量范圍（給出計算公式）各是多少?答：可見光的波長：0.38微米～0.78微米頻率：3.85×HZ～7.89×HZ【利用公式】光子能量：2.55×J～5.23×J【利用公式】2、一塊半導體樣品,有光照時電阻為50Ω，無光照時為5000Ω,求樣品的光電導。答：有光照時的電導為：無光照時的電導為：故：該樣品的光電導為習題09一、填空題發光二極管的發光亮度，基本上是正比于（電流密度）。2、氦氖激光器以（直流）電源驅動。從結構上分（全內腔）（全外腔）（半內腔）激光器。3、發光二極管是（注入式電致發光器件）器件，它能將（電）能轉變為（光）能。二、簡答題1、半導體發光二極管的發光原理答：半導體發光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態下的N區有很多遷移率很高的電子，P區有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結阻擋層的限制，在常態下，二者不能發生自然復合。而當給PN結加以正向電壓時，溝區導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區一側。于是在PN結附近稍偏于P區一邊的地方，處于高能態的電子與空穴相遇時，便產生發光復合。這種發光復合所發出的光屬于自發輻射，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度，即2、應用發光二極管時注意哪些要點？答：⑴開啟電壓：發光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。⑵溫度特性：利用發光二極管和硅的受光器件進行組合使用時，應注意到二者的溫度特性是相反的。溫度升高時，發光二極管的電光轉換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉換效率卻是增加的。所以使用時，應把二者放到一起考慮，注意其組合后的整體溫度特性。⑶方向特性：發光二極管一般都帶有圓頂的玻璃窗，當利用它和受光器件組合時，應注意到這一結構上的特點。發光管與受光管二者對得不準時，效果會變得很差。3、激光的產生有哪些條件？答：⑴需要泵源,把處于較低能態的電子激發或泵浦到較高能態上去。⑵介質必須能發生粒子數反轉,使受激輻射足以克服損耗。⑶必須要有一個共振腔提供正反饋及增益,以維持受激輻射的持續振。4、簡述注入式半導體激光器的發光過程。答：注入式半導體激光器的工作過程是，加外電源使PN結進行正偏置。正向電流達到一定程度時，PN結區即發生導帶對于價帶的粒子數反轉。這時，導帶中的電子會有一部分發生輻射躍遷，同時產生自發輻射。自發輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導體之間。通過這種光子的誘導，即可使導帶中的電子產生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會進一步去誘導導帶中的其它電子產生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔兩端發射出激光。只要外電源不斷的向PN結注入電子，導帶對于價帶的粒子數反轉就會繼續下去，受激輻射即可不停地發生，這就是注入式半導體激光器的發光過程。5、光器和發光二極管的時間響應如何？使用時以什么方式（連續或脈沖）驅動為宜？答：發光二極管：發光二極管的響應時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。采用脈沖驅動的情況下，獲得很高的亮度，但應考慮到脈沖寬度、占空度比與響應時間的關系。半導體激光器：響應時間很短。半導體激光器的閾值電流都比較高，由于激光器工作時需要的電流很大，電流通過結和串聯電阻時，將使結的溫度上升，這又導致閾值電流上升。所以閾值電流很高的激光器，通常用脈沖電流來激勵，以降低平均熱損耗。習題10一、填空題光電耦合器是由（發光）器件與（光敏）器件組成的（電）－（光）－（電）器件。這種器件在信息傳輸過程中是用（光）作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號耦合在一起的。二、簡答題1、簡述光電耦合器件的電流傳輸比β與晶體管的電流放大倍數β的區別？答：⑴晶體管的集電極電流遠遠大于基極電流，即β大；⑵光電耦合器件的基區內，從發射區發射過來的電子是與光激發出的空穴相復合而成為光復和電流，可用αIF表示，α為光激發效率（它是發光二極管的發光效率、光敏三極管的光敏效率及二者之間距離有關的系數）。一般光激發效率比較低，所以IF大于IC。即光電耦合器件在不加復合放大三極管時，β小于1。2、簡述光電耦合器件的特點。答：⑴具有電隔離的作用。它的輸入、輸出信號完全沒有電路聯系，所以輸入和輸出回路的電平零電位可以任意選擇。絕緣電阻高達1010Ω～1012Ω，擊穿電壓高達100～25KV，耦合電容小到零點幾皮法。⑵信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數字信號。⑶具有抗干擾和噪聲的能力。它作為繼電器和變壓器使用時，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。⑷響應速度快。一般可達微秒數量級，甚至納秒數量級。它可傳輸的信號頻率在直流和10MHz之間。⑸使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性能穩定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55℃～＋100℃之間。三、分析題光電耦合器件測試電路如圖所示，分析它的工作原理。S1開關接通后：⑴S2開關沒有接通，正常情況下LED是不發光的。如果它是發光的，則說明光電耦合器的接收端已經短路。⑵S2開關接通，正常情況下LED發光，它的發光強度可以用電位器RP來調節。如果LED沒有發光，則說明光電耦合器是壞的。習題11一、填空題1、光電成像器件包括（掃描成像器件）（非掃描成像器件）。2、掃描型光電成像器件又稱（攝像器件）。光電攝象器件應具有三種基本功能（光電變換）（光電信號存儲）（掃描輸出）。3、分辨率是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節的能力。分辨率常用兩種方式來描述（極限）分辨率和（調制傳遞）函數。習題12一、概念題1、轉移效率：電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉移，不是立即的和全部的，而是有一個過程。在一定的時鐘脈沖驅動下，設電荷包的原電量為Q(0)，在時間t時，大多數電荷在電場的作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，則轉移效率η定義為轉移的電量與原電量之比，即2、轉移損失率：電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉移，不是立即的和全部的，而是有一個過程。在一定的時鐘脈沖驅動下，設電荷包的原電量為Q(0)，在時間t時，大多數電荷在電場的作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，則轉移損失率定義為殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，即二、簡答題1、為什么CCD必須在動態下工作？其驅動脈沖的上、下限頻率受哪些條件限制，應如何估算？答：CCD是利用極板下半導體表面勢阱的變化來儲存和轉移信息電荷的，所以它必須工作于非熱平衡態。時鐘頻率過低，熱生載流子就會混入到信息電荷包中去而引起失真。時鐘頻率過高，電荷包來不及完全轉移，勢阱形狀就變了，這樣，殘留于原勢阱中的電荷就必然多，損耗率就必然大。因此，使用時，對時種頻率的上、下限要有一個大致的估計。為了避免由于熱平衡載流子的干擾，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t必須小于少數載流子的平均壽命。當時鐘頻率過高時，若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需的時間t大于時鐘脈沖使其轉移的時間T/3，那么，信號電荷跟不上驅動脈沖的變化，轉移效率大大下降。f上決定于電荷包轉移的損耗率ε，就是說，電荷包的轉移要有足夠的時間，電荷包轉移所需的時間應使之小于所允許的值。三、分析題分析浮置擴散放大器輸出的工作原理。答：V1為復位管，R1為限流電阻，V1為輸出管，RL為負載電阻，C為等效電容。電荷包輸出前，要先給V1的柵極加一窄的復位脈沖φR，這時，V1導通，C被充電到電源電壓，V2管的源極S2的電壓也跟隨上升接近于電源電壓。φR變為低電平以后，V1截止，但V2在柵極電壓的控制下仍為導通狀態。當電荷包經過輸出柵OG流過來時，C被放電，V2的源極電壓也跟隨下降，下降的程度則正比于電荷包所攜帶的電量，即構成輸出信號。習題13一、填空題1、變像管還是像增強管取決于（陰極材料）。如果對（紅外或紫外）光線敏感，則它就是變像管；如果它只對（微弱的可見）光敏感，則它就是像增強管。2、變像管和像增強管都具有圖像增強的作用，實現圖像增強一般有兩種方法：增強（電子圖像密度）和增強（增強電子的動能）。3、增強電子圖像密度，一般利用（二次電子發射）來實現；增強電子動能，用增強（增強電場或磁場的）的方法。二、簡答題1、變像管？像增強管？像管和攝像管的區別？答：變象管是指能夠把不可見光圖象變為可見光圖象的真空光電管。圖象增強管是指能夠把亮度很低的光學圖象變為有足夠亮度圖象的真空光電管。2、簡述像管的工作原理。答：⑴目標物所發出的某波長范圍的輻射通過物鏡在半透明光電陰極上形成目標的像，引起光電發射。陰極面每一點發射的電子數密度正比于該點的輻射照度。這樣，光陰極將光學圖像轉變為電子數密度圖像。⑵加有正高壓的陽極形成很強的靜電場，合理的安排陽極的位置和形狀，讓它對電子密度圖像起到電子透鏡的作用，使陰極發出的光電子聚焦成像在熒光屏上。它還使光電陰極發射出來的光電子圖象，在保持相對分布不變的情況下進行加速。⑶熒光屏在一定速度的電子轟擊下發出可見的熒光，這樣，在熒光屏上便可得到目標物的可見圖像。習題141、已知硅光電二極管2DU2的靈敏度Si=0.55μA/μW，結間漏置電導G=0.02μS，轉折點電壓UM=13V，入射光功率從Φmin=15μW變到Φmax=35μW，供電偏電壓為Ub=55V。求：⑴取得最大線性輸出電壓下最佳負載RL。⑵輸出電壓ΔU。(3)輸出電流ΔI。解：2、已知硅光電池2CR32的受光面積為5×10mm2，在室溫30℃，人射光照度為1000W/m2的條件下，UOC=0.55V，ISC=12×10-3A。求能在200～700W/m2照度范圍內，求：⑴取得最大線性輸出電壓下最佳負載RL。⑵輸出電壓ΔU。⑶輸出電流ΔI。解：3、光敏電阻R與RL＝20kΩ的負載電阻串聯后接于Ub＝12V的直流電源上，無光照時負載上的輸出電壓為U1＝20mV，有光照時負載上的輸出電壓為U2＝2V，求①光敏電阻的暗電阻和亮電阻值②若光敏電阻的光電導靈敏度Sg＝6×10－6S/lx,求光敏電阻所受的照度。解：①光敏電阻的暗電阻和亮電阻值的計算②光敏電阻所受的照度4、已知CdS光敏電阻的最大功耗為40mW,光電導靈敏度Sg=0.5×10-6S/lx暗電導g0＝0，若給其加偏置電壓20V，此時入射到光敏電阻上的極限照度為多少？解：負載電阻為0時，光敏電阻流過的電流為最大。習題15設計一套測量材料透過率的光電測試自動裝置，要求消除光源的不穩定性因素的影響。⑴繪出工作原理圖。⑵繪出原理框圖。⑶說明工作原理。答：⑴工作原理圖⑵原理框圖⑶說明工作原理：①在裝上被測樣品4之前，光屏處