《光電技術(shù)》復(fù)習(xí)資料

1、word11、設(shè)受光表面的光照度為1001X能量反射系數(shù)06求該表面的光出射度和光亮度dI（假定該表面為朗伯輻射體）。（Lv磐一）解：設(shè)受光表面光譜反射率相同，則每單dScos位表面反射的光通量為0610060入Lm/m2這也就是該表面的光出射度Mv對朗伯輻射體，其光亮度L與方向無關(guān)，沿任意方向（與法線方向成角）的發(fā)光強度I與法線方向發(fā)光強度I。之間的關(guān)系為I每單位面積輻射出的光通量除以dIdIvv0Icos0即為其光亮度LvdScosdSCd/m2sr附：朗伯體法向發(fā)光強度i0與光通量的關(guān)系由定義，發(fā)光強度IUV卜所以在立體角d內(nèi)的光通量：dIdIcossindd在半球面內(nèi)的光通量/22Ic

2、ossindd002、計算電子占據(jù)比Ef高2KT、10KT的能級的幾率和空穴占據(jù)比Ef低2KT、10KT能級的幾率。解：能量為e的能級被電子占據(jù)的概率為f(E)n比Ef高2kT時，電子占據(jù)比:1exp仃)L0.11921e2比Ef高10kT時，電子占據(jù)比:比Ef低2kT時，空穴占據(jù)比:比Ef低10kT時，空穴占據(jù)比:14.541e101expEfE)kT11e10105L0.11921e24541053、設(shè)NSi中n1.510iocm3,摻雜濃度N10i6cm3,少子壽命10s。如果iD由于外界作用，少子濃度P=0（加大反向偏壓時的PN結(jié)附近就是這種情況），問這時電P子一空穴的產(chǎn)生率是多少？（

3、復(fù)合率R上，當(dāng)復(fù)合率為負值時即為產(chǎn)生率）npn2解：在本征硅中,iii2.251020,在N型硅中,少子濃度：2.251020110162.25104產(chǎn)生率為：RR=2.25104101062.25109每秒鐘每立方厘米體積內(nèi)可產(chǎn)生2.25劉9個。4、一塊半導(dǎo)體樣品,時間常數(shù)為0.1s,在弱光照下停止光照0.2s后，光電子濃度衰減為原來的多少倍？解：/UIn(t)en(t)eetn(0)e-e20.13545、一塊半導(dǎo)體樣品,本征濃度ni1.51010cm3,N區(qū)摻雜濃度ND1017cm3,P區(qū)摻雜濃度Na71014cm3,求PN結(jié)的接觸電勢差uD（室溫下,KTq0.026V)。解：在P-N結(jié)

4、處，接觸電勢差kTNNVInad0en2i1.3810233001.6021019710141017ln1.5210202.587510226.460.685(伏)6、設(shè)某種光電倍增管一共有10個倍增極，每個倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)均為4,陰極靈敏度S20A/lm，陽極電流不得超過100A,試估算入射于陰極的光通k量的上限。解：陽極電流IA滿足：ISn，所以入射光通量AAvkI100a4.77106lmvSn20410k7、上題中，若陽極噪聲電流4nA，求其噪聲等效光通量？(f1Hz)解：題中未給出入射光的波長值，我們?nèi)〔ㄩL為555nm,則V()1Nep=一1,一=410-3=1.9?10-1

5、0n=Ssnk20410kmLm8、某光敏電阻的暗電阻為600k,的光電導(dǎo)靈敏度。解：該光敏電阻的亮電阻為R2在200lx光照下亮暗電阻比為1:100,求該電阻0.01R16103，光電導(dǎo)G1/R，所以光電導(dǎo)靈敏度1S里EE21RE11103611058.33107S/Lx9、某熱探測器的熱導(dǎo)為5106W/K,熱容量為3105J/K,吸收系數(shù)0.8,若照射到光敏元上的調(diào)制輻射量為510.6cost),求其溫升隨時間的變化關(guān)系，并給出上限調(diào)制頻率。解:上限調(diào)制頻率丄J口00.172f,所以：C3105ttf0.027H7。2Z溫升隨時間的變化關(guān)系T0mej(t)GG122)1/2ttt0.851

6、050.83105ej(t)51065106(1362)1282.4(1362)12eJ(t)10、某光電導(dǎo)器件的特性曲線如右圖，用該器件控制一繼電器。使用30V直流電源，電路在400lx的照度下有10mA電流即可使繼電器吸合。試畫出控制電路，計算所需串聯(lián)的電阻和暗電流。題91圖光敏電阻的特性曲線題92圖光敏電阻控制繼電器電路解：光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為1111S丄孔史0011051106S/LxeEE1000121在400Lx的光照下，光敏電阻的阻值為R。G丄SE11064004104S0RE所以，Rt=2500歐姆。使用30V直流電源，使繼電器吸合需10mA電流。這時回路電阻應(yīng)為RL=30

7、/0.010=3000歐姆比光敏電阻的阻值要大，故需串聯(lián)一個電阻R,R廠RL弋=500歐姆，如圖92所示。11、已知2CR太陽能光電池的U=0.55伏，I=50mA，要用這種光電池組合起來對6V、ocsc0.5A的蓄電池充電，應(yīng)組成怎樣的電路？需要這樣的光電池多少個？（充電電源電壓應(yīng)比被充電電池電壓高1伏左右）解：光電池用于能量轉(zhuǎn)換時,輸出電壓一般取開路電壓的0.8倍,這時輸出電流約為0.8sc=40mA，輸出電壓0.44伏。需用N咯$16個電池串聯(lián)供電。每支路提供40sc10.44500毫安的電流，需要N-眉13條支路并聯(lián)。共需用NNN1613208個這樣的電24012池串、并聯(lián)供電。12、

8、具有上題所示特性的光敏電阻，用于右圖所示的電路中。若光照度為E=(400+50sint)lX求流過R2的微變電流有效值和R2所獲得的信號功率。解：設(shè)光照度變化頻率和電容量C足夠大，則電容交流短路。交流等效負載為叫和R2的并聯(lián)值，R”=2k。由上題，G0=4x10-4S,G=SE=1.0 x10-6x450=4.5x10-4Smaxgmax直流工作點：UR011306.00103（安）。4.01042,5k光照度最大時，總電流Imax1廠maxR113014.51046.35103（安）2.5k所以交變電流的峰值電流是i=6.35-6.00=0.35(mA)通過R2的峰值電流是:max2ii迴0

9、.35mA0.12mA2maxRRmax2.5k5k12負載電阻R2所獲得的信號功率為：P-Ri20.55103（0.12103）23.8105WS222max求允許的最大負載電阻是多少？B某光電二極管的結(jié)電容5pF,要求帶寬10MHz若輸出的信號電流為10A,在只考慮電阻熱噪聲的情況下，求T300K時信噪電流有效值之比。又電流靈敏度如為0.6A/W時，求噪聲等效功率。解:因為fH12CRjLRL所以最大負載電阻：12CfjH1510121C73.18k電阻熱噪聲i2n4kTfR信噪電流有效值之比：題10圖is5in1105（3.1810）21.610（41.3810233001O）1NEP1

10、.04108Wi；41.38102330010S3.1810b14、某光電二極管的光照靈敏度為Se=3010-6VLX，拐點電壓為VM=10V，給它加上50伏的反向偏置電壓，其結(jié)電容為5pF。試求：(20分)若其能接收f=6MHz的光電信號，求其允許的最大負載電阻。如光電二極管耗散功率為200毫瓦，求所允許的最大光照度。如只考慮電阻的熱噪聲，求在問題條件下輸入電路的等效噪聲功率及可探測的最小光照度(S/N=1)。.如輸入信號光照度為E=50(1+sint)LX,求在最大輸出信號電壓情況下的負載電阻和電路通頻帶寬度。解：最大負載電阻：12CfjH25101261065,31k負載曲線通過拐點時，

11、光電二極管耗散功率為PSEVEM所以：EP2001036.6710LEmax6.67103LmaxVS103.0106XME取rl為最大負載電阻，其熱噪聲功率為P4kTf413810233006106101013Wr取光譜光視效率為最大值683，得可探測的最小光照度為：EV()P6831010136831011LXminrX在最大輸出信號電壓情況下，照度達100L時，光電二極管上壓降為10伏，輸出電X壓Us=U0-UM=40伏，對應(yīng)的光電流為!s=SeE=3.0 x10-6X100=3.0 x10-4安。負載電阻為Rl=US/I=1.33x105歐姆這時的電路通頻帶寬度是：12CRjL1251

12、0121.331052.4105HZ三、教材上所布置的所有作業(yè)題。第一章：1、解：光衰減器的透射比指的是光輻射能量的透射比。在亮視覺時，對波長為435.8nm的1單色光，光亮度LKV()L,對波長為546.1nm的單色光，光亮度TOC o 1-5 h zv1m1e12LKV()L，且有LL。在暗視覺時，應(yīng)有： HYPERLINK l bookmark166 v2m2e2v1v2LKV()L104，LKV()L104v1m1e1v2m2e2LKV()LLV()V()V()V()因為：m1士11212LKV()LV()LV()V()V()v2m2e21v22210.26400.97820.90.7

13、140.0173大于1，所以在暗視覺時，波長為1435.8nm的光源的光亮度大于波長為2546.1nm的單色光源的光亮度。(光譜光視效能值參見教材第4頁，此處采用了數(shù)值內(nèi)插)2、解：/UI白熾燈各向同性發(fā)光時SE4R2E43.141.5230848Lmvvv3、解：由維恩位移定律，T2897mK，所以m289728970.456635K3word1124、解：該激光束的光通量KV()6830.24021030.328Lm(流明)vme發(fā)光強度0.3281103)2/44.2105(3.28105)Cd(坎德拉)光亮度IVS4.21051103)2/45.351011(或4.21011)Cd/m

14、2光出射度0.328(L103)2/44.2105Lm/m210米遠處光斑面積大?。?.147.85105m2S-(L)23101103)244反射光功率為：PP0.8521031.7103W反射光通量PKV()1.71036830.2400.279Lmvm漫反射屏可以看作是個朗伯體，其法向發(fā)光強度I與光通量的關(guān)系是I/，由于朗伯TOC o 1-5 h zo0體的光亮度與方向無關(guān)，所以：I0.279L-v0.791.13103Cd/m2vSS3.147.85105A/t-yV第三章7、解：f22.0107H8.0109Sword1、Nd1015遠大于亠，所以解：300K時，n1.5lOio/c

15、m3,i+叮105。而町其費米能級n2n二np，p2.25102010l52.25?105個/cm2EfnEi其能級圖如右。NEkTLndini4.61020(J)E1.381023iE0.29(eV)i300Ln10151.510102、解：300K時，因nin2pn1.51010/cm3，nNndi2.2510162.2510202.251016104個/cm2其費米能級N2.251016EEkTLn4E1.381023300Lnfnini1.51010iE6.731020(J)E0.42(eV)ii其能級圖如右。6、解：因為歸一化探測率D*比fNEP，所以NEP3.131010W:Af(

16、0.25)2_5103dD*1011這就是能探測的最小輻射功率。4、解：（a）300K時，本征硅的電導(dǎo)率nqpqnq(npin1.510101.61019(1350)p480)4.4106(/cm)(b)摻雜率10-8則摻入的施主濃度為N5102210851014d所以，nN51014，p占1010)24.5105dp51014nqpq(5101413504.5104480)1.610190.108(/npcm)8、解：該金屬光電發(fā)射體的逸出功為2.5eV,所以W（a）發(fā)生光電效應(yīng)的長波限：EE2.5eV，且EE0f0C7.5eV。hc6.6210343.001084.97107mmW2.51

17、.61019(b)費米能級相對于導(dǎo)帶底的能級差EEE(E2.5)(E7.5)5.0eVfc00第四章10、解：（b）陰極電流IKSESK200.121044104A倍增系數(shù)M(0)n0.98(0.954)112.34106陽極電流IIMAK41042.341069.36102Aword0011、解：光電倍增管的增益與每級電壓的kn次方成正比。其中k為0.708n是倍增級數(shù)。既:MAVkn,所以dMdVkn-MV如要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定度大于1%,則電壓的穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于解：因為陽極電流IAEmax第五章2、SKESM,所以最大光照度IKmaxSSMK2002521041050.4lx解：光敏電阻中的光

18、電流I(Sgg0)EU所消耗的電功率為P所以極限照度為；第八章4、EmaxPmax(Sg)U2g040103(0.51060)202200lx解：由題意，電荷轉(zhuǎn)移率為Q-1)nenQ0.5，式中n2m2048，所以：dV1dM0./12。011-04103VknM12、Zln匕1ln0.53.38104nQ2048word題54圖13、解：電路如右圖所示。RRl的分壓為u_u,所以LLRRLtlRL無光照時有光照時Rt1120.0200.02020001.2106122R2000104t22因為光電導(dǎo)所以光照度GGEp0Sg丄(SgRt2丄)Rti由兒）品Lx4、已知CdS光敏電阻的暗電阻Rd

19、=10MQ,在照度為100L時亮電阻R=5KQ。用此光敏電阻控制繼電器，其原理如圖所示。如果繼電器的線圈電阻為4KQ，繼電器的吸合電流為2mA，問需要多少照度時才能使繼電器吸合？如果需要在400LX時繼電器才能吸合，則此電路需作如何改進？解：由題意，R4kLGG111、Sp0()gEERrt2t1111、()2106s100500007繼電器吸合時的電流為2mA，由RRU126103pLI2103R2kPSRgP210621032,5IlXword由題意，繼電器吸合時的電流為2mA，總電阻應(yīng)為6千歐，而光敏電阻的阻值是1SEg21064001,25k繼電器的電阻是4千歐，所以還應(yīng)串接一個750

20、歐姆的電阻。（也可將電源電壓降為10.5伏）。5、解：（a）恒流偏置,I=CUb1+b)R+rgbeU二V-IR二V-bROCccC1+b)R+rcgbeUUVUI二川丄b+1)I-(b)恒壓偏置，ebbe,e1+b)R+，beU=V-IR=V-EbbROCCCC1+b)R+rCbeUb1+b)R+rgbe力l丿第六章6、所以R20.32141.4103解：因為微安表滿量程電流為100微安，故！，最大值是1.4毫安。這時光電池電壓0.3伏,在微安表支路中，電流為0.3/（100 x10-6）=3x103歐姆，所以R1為2000歐姆。8、現(xiàn)有一塊光敏面積為5x5mm2的硅光電池2CR21，其參數(shù)

21、為S7nA/Lmm2,X要求用一個量程為10V的電壓表作照度指示，測試照度分別為100LX和1000LX兩檔，試設(shè)計一個帶有運放的照度計,畫出其原理圖,并給出圖中元件的參數(shù)。解：由題意,運算放大器應(yīng)設(shè)計成電流電壓變換器的形式,如圖所示。因為UIRSEARSCff所以，在100IX的照度下,USEA107109100555.7105同理，在100IX的照度下,R5.7104題68圖word1068950.91V9、解:(1)2CU2的暗電流V0.604107(A)R1.5106f2)有光照時，ISEPEV(II)R，所以：1Pdf-(I)ERdf1-002.4(-4107)1.2106A/lx1

22、.510610、用2CU1型光電二極管接收輻射信號，如題611圖所示。已知2CU1的靈敏度S0.4A/W，暗電流小于0.2A,3DG6C的50。當(dāng)最大輻射功率為400W時的拐點電壓V10V，M求獲得最大電壓輸出時的R值。若入射輻射功率由400W減0小到350W時，輸出電壓的變化量是多少？解：由于最大光電流IS0.4400160A遠大于暗題611圖Pmaxmax0.2A，所以暗電流可以忽略。a)最大輻射功率為400W時，拐點電壓V10V，這時輸出電壓UCCUUbeM180.7107.3V由于UOIR(1)SeeR，所以maxe7.3UO(1)Smaxb)當(dāng)輻射功率從400W減小到350W時，URI(1)SR(501)0.450Oeee(501)0.4400107895word1.26106W)i11、解：由題意，應(yīng)由直流負載電阻RC來確定直流工乍點，放大器輸入電阻Ri與直流負載電阻R并聯(lián)共同組成光電二極管的交流負載。C(1)在直流靜態(tài)工作點Q,應(yīng)有其檢測電路和交流等效電路如圖所示。IQ在交流情況下，應(yīng)有(VQGV0SEE0)(G0在取得最大輸出功率的情況下，應(yīng)有Gi所以：(VbG)iV)GQCSEEmG0GC,以上三式聯(lián)立求解,得：(E2Em02VV)bM)2GV0.5106(325)20.005101SS6002(4010)600GGGi0C0,00560