光電檢測(cè)習(xí)題解答

1、光電技術(shù)光電技術(shù)綜合習(xí)題解答綜合習(xí)題解答 一、單項(xiàng)選擇題一、單項(xiàng)選擇題 在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（ ）。A陰極B陽(yáng)極C二次發(fā)射極 D光窗 光電二極管的工作條件是（ ）。A加熱 B加正向偏壓C加反向偏壓D 零偏壓光電技術(shù)光電技術(shù)綜合習(xí)題解答綜合習(xí)題解答 一、單項(xiàng)選擇題一、單項(xiàng)選擇題 在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（A）。A陰極B陽(yáng)極C二次發(fā)射極 D光窗 光電二極管的工作條件是（C）。A加熱 B加正向偏壓C加反向偏壓D 零偏壓 輻射通量，光通量，發(fā)光強(qiáng)度，光照度的單位分別為（ ）。(A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明(C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方

2、米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光輻射下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于（ ）。(A)外光電效應(yīng) (B)光熱效應(yīng)(C)光電導(dǎo)效應(yīng) (D)光生伏特效應(yīng) 輻射通量，光通量，發(fā)光強(qiáng)度，光照度的單位分別為（A）。(A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明(C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光輻射下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于（ C ）。(A)外光電效應(yīng) (B)光熱效應(yīng)(C)光電導(dǎo)效應(yīng) (D)光生伏特效應(yīng)二二 填空題填空題1 描述光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)化能力的是 量子效率 。2 任何物質(zhì)，只要溫度高于絕對(duì)零度，都具有發(fā)射輻射

3、的能力。3 氦氖激光器以 直流 電源驅(qū)動(dòng)。 4 發(fā)光二極管是 注入式電致發(fā)光器件 器件。 7 光伏器件有光伏工作模式和光導(dǎo)工作模式兩種工作模式。三三 簡(jiǎn)答題簡(jiǎn)答題1、 摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？答：半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。 2、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)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(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極到第一倍增極D1之間的系統(tǒng))、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)

4、及陽(yáng)極等構(gòu)成。工作原理：光子透過(guò)入射窗入射到光電陰極K上。此時(shí)光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開(kāi)表面發(fā)射到真空中。光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子就放大N次。經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極a收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。gEgEeVm 241.3、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光原理？答：半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)，溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則

5、可逃過(guò)PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí)，便產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長(zhǎng)決定于材料的禁帶寬度，即4、簡(jiǎn)述注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過(guò)程。答：注入式半導(dǎo)體激光器的工作過(guò)程是，加外電源使PN結(jié)進(jìn)行正偏置。正向電流達(dá)到一定程度時(shí)，PN結(jié)區(qū)即發(fā)生導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，導(dǎo)帶中的電子會(huì)有一部分發(fā)生輻射躍遷，同時(shí)產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來(lái)的光，是無(wú)方向性的。但其中總會(huì)有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導(dǎo)體之間。通過(guò)這種光子的誘導(dǎo)，即可使導(dǎo)帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來(lái)的光子又會(huì)進(jìn)

6、一步去誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的其它電子產(chǎn)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(fā)射出激光。只要外電源不斷的向PN結(jié)注入電子，導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就會(huì)繼續(xù)下去，受激輻射即可不停地發(fā)生，這就是注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過(guò)程。9、簡(jiǎn)述光電耦合器件的電流傳輸比與晶體管的電流放大倍數(shù)的區(qū)別？答：晶體管的集電極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流，即大；光電耦合器件的基區(qū)內(nèi)，從發(fā)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的電子是與光激發(fā)出的空穴相復(fù)合而成為光復(fù)和電流，可用IF表示， 為光激發(fā)效率（它是發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的光敏效率及二者之間距離有關(guān)的系數(shù)）。一般光激發(fā)效率比較低，所以IF大于IC。即光電耦合器件在不加復(fù)合放大三

7、極管時(shí)， 小于1。1、在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個(gè)照度計(jì)探頭，已知探頭的光敏面積為0.5 cm2，若照度計(jì)測(cè)得的最大照度為100(lx)，試求 1、 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強(qiáng)度為多少？2、鎢絲燈所發(fā)出總的光通量為多少？解：解：首先計(jì)算光電探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈所張的立體角 再計(jì)算光電探頭所接收的光通量 v=EvS=1000.5 cm2=5.010-3(lm) 因而可以計(jì)算出燈在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iv Iv=v/=5.010-3/1.2510-5=400(cd) )sr(1025. 12105 . 05242rA標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在整個(gè)球面空間各向同性發(fā)光，因此，燈所發(fā)出的光通量為 )lm(500010

8、25. 14100 . 5453vvAE2 2、某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長(zhǎng)為0.6328m的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設(shè)光速C= 3108m/s，普朗克常數(shù) h = 6.62610-34js ，氦氖激光的視見(jiàn)函數(shù)V(6328) = 0.268， 試求：（1）幕的光照度為多少lx？ （2）幕的反射出射度為多少lx？ （3）幕每秒鐘接收多少個(gè)光子？解：解：先將氦氖激光器輸出單色輻射的輻射功率轉(zhuǎn)換為光通量v v=KmV()e=6830.268610-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度應(yīng)為 Ev=v/S=1.098/0.810-4=1

9、.37104 (lx)幕的反射光照度為 Evr=r Ev=0.961.37104 =1.32104 (lx)幕每秒鐘接收的光子為 1683436ee1091. 110310626. 6106106328. 0hchN（個(gè)/秒）3 3 、在如圖所示的恒流偏置電路中，已知Re=3.3k，UW=4V，Ubb=12V；光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為30lx時(shí)輸出電壓為6V，80 lx時(shí)為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的值不變） 光敏電阻 試求： 輸出電壓為8V時(shí)的照度為多少lx ？ 解：解：首先看穩(wěn)壓二極管是否工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，9.8(mA)820412bwbbwRUUI穩(wěn)壓二極管工作在穩(wěn)壓區(qū)；

10、 再求流過(guò)恒流偏置的光敏電阻的電流Ip, Ip =Ie=(Uw Ube)/Re =1(mA)DWRRpRUUbbbe0計(jì)算在不同照度下光敏電阻的阻值光照度為30lx時(shí), R1=(UbbUo1)/ Ip=6( k);光照度為80lx時(shí), R2=(Ubb Uo2)/ Ip=3( k);光照度為E3時(shí), R3=(Ubb Uo3)/ Ip=4( k);7 . 0lglglglg1221EERR由于且，光敏電阻在30到100lx之間的值不變 lgE3=( lg3- lg4)/0.7+lg80=1.7246 E3=53（lx）4、在如圖所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為

11、6V，設(shè)Rb=1k，RC=510, 三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算：輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100500lx間的值不變）為多少lx？ 照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？DWRRcRUUbbbp0解解 分析電路可知，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在6V。設(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則 )mA(92. 3510101210cbb1RUIDWRRcRUUbbbp0k4 . 1

12、92. 37 . 067 . 01W1IUR同樣,照度為300lx時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流I2與電阻R2為7.8(mA)8Icbb2RUR2=680 由于光敏電阻在500到100lx間的值不變，因此該光敏電阻的值應(yīng)為 66. 0lglglglg1221EERR當(dāng)輸出電壓為9V時(shí)，設(shè)流過(guò)光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則 (mA)88. 59cbb3RUIR3=900 代入值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E366. 0lglglglg2332EERR292. 20.66lglglglg3223RREEE3=196(lx) 由值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出

13、電流I4為 R4=214 I4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為 UO=UbbI4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。 光電子發(fā)射探測(cè)器5、設(shè)入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm左右，陽(yáng)極電阻Ra=82k，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測(cè)器，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問(wèn)該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解解 (1) 首先計(jì)算供電

14、電源的電壓根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，陽(yáng)極電流應(yīng)不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量為0.610-6lm時(shí)的陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為 56min1002. 11024439. 2KaIIG由于 ，N=8，因此，每一級(jí)的增益=4.227，另外，SbCs倍增極材料的增益與極間電壓UDD有， ，可以計(jì)算出=4.227時(shí)的極間電壓UDD 0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V NG

15、56min1002. 11024439. 2KaIIG 設(shè)流過(guò)電阻鏈的電流為IRi，流過(guò)陽(yáng)極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，則 IRi=500A因此，電阻鏈的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。(2) 計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值(3) 輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為 %056. 0%01. 087 . 07 . 0bbbbUUnUU 6 6、光電倍增管、光電倍增管GDB44FGDB44F的陰極光照靈敏度為的陰極光照靈敏度為0.5A/lm0.5A/lm，陽(yáng)極靈敏度為陽(yáng)

16、極靈敏度為50A/lm50A/lm，要求長(zhǎng)期使用時(shí)陽(yáng)極允許電流限，要求長(zhǎng)期使用時(shí)陽(yáng)極允許電流限制在制在2A2A以內(nèi)。求（以內(nèi)。求（1 1）陰極面上允許的最大光通量。）陰極面上允許的最大光通量。（2 2）當(dāng)陽(yáng)極電阻為）當(dāng)陽(yáng)極電阻為75K75K時(shí)，最大的輸出電壓。時(shí)，最大的輸出電壓。 （3 3）若已知該光電倍增管為）若已知該光電倍增管為1212級(jí)的級(jí)的CsSbCsSb倍增極，其倍倍增極，其倍增系數(shù)增系數(shù) , ,計(jì)算它的供電電壓。計(jì)算它的供電電壓。 （4 4）當(dāng)要求輸出信號(hào)的穩(wěn)定度為）當(dāng)要求輸出信號(hào)的穩(wěn)定度為1%1%時(shí)，求高壓電源電時(shí)，求高壓電源電壓的穩(wěn)定度。壓的穩(wěn)定度。 7 . 02 . 0DDU

17、 解解 (1)(1)陰極面上允許的最大光通量陰極面上允許的最大光通量)lm(10450102/ 86AamVmSI(2)(2)最大的輸出電壓最大的輸出電壓VRIULao15. 0107510236maxmax(3)(3)供電電壓供電電壓86101105 . 050KASSGCsSbCsSb倍增極材料的增益倍增極材料的增益與極間電壓與極間電壓U UDDDD有有0.7DD)(2 . 0UV892 . 07 . 0DDUNGN N=12=12，每一級(jí)的增益，每一級(jí)的增益=4.642=4.642總電源電壓總電源電壓U Ucccc為為 Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V %1DDDDooUUK

18、nGGUU(4) (4) 輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為 %119. 0127 . 01%1DDDDUU光生伏特器件7、已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42所示。當(dāng)入射光通所示。當(dāng)入射光通量為正弦調(diào)制量量為正弦調(diào)制量v,=55 +40sint lm時(shí)，今要得到時(shí)，今要得到5V的輸出電壓，的輸出電壓，試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。 解 : 首先根據(jù)題目的要求，找到入射光通量的最大值與最小值 max=55+40=95 lm min=5540=15 lm在特性曲線中畫出光通量的變化波形，補(bǔ)充必要的特性曲線。 再根據(jù)題目對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求，確定光電三極管集電極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即 Uce=2U14V 根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時(shí)輸出電壓應(yīng)最小，但不能進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點(diǎn)”右側(cè)找一點(diǎn)“A”并做垂線交橫軸于“C”點(diǎn)