光電檢測原理與技術試題一

1、光電檢測原理與技術試題一一.單項選擇題（每題只有一個正確選項，每小題2分,共40分）1.任何溫度下對任何波長的入射輻射能的吸收比都等于1，稱為（A）.A黑體B灰體C黑洞D絕對黑體2半導體中施主能級的位置位于（A）中.A.禁帶B.價帶C.導帶D.滿帶3在給定l2波長范圍內(nèi)，某一輻射源發(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，稱為（B）.A.輻射效率B.發(fā)光效率C.光譜功率D.空間光強4.熱效應較大的光是（C）.A.紫光B.紅光C.紅外D.紫外5結型光電器件與三極管連接，保證放大，要接在(C).A.集射極間短路B.基集極間短路C.基射極間正偏D.基集極間反偏6.為了實現(xiàn)均勻倍增，雪崩光電二

2、極管襯底摻雜材料要求(A).A.濃度均勻B.濃度大C.濃度小D.濃度適中7.波長為10m的光線屬（C）。A.近紅外線B.中紅外線C.遠紅外線D.極遠紅外線8光纖折射率纖芯n1、包層n2、外套n3的關系是（B）.A.n1n2n3B.n1n3n2C.n3n2n1D.n2n3n19波長為1mm的波屬于（B）A.遠紅外線B.太赫茲波C.可見光D.X射線10硅光電二極管與硅光電池比較，前者（A）A摻雜濃度低B電阻率低C零偏工作D光敏面積大11鹵鎢燈是一種(B).A.氣體光源B.熱光源C.冷光源D.激光光源12.下列光源中，最佳的彩色攝影用光源是（A）A氙燈B氫燈C汞燈D汞氙燈13.光的發(fā)射，屬于受激發(fā)射

3、的器件是（A）.A.LDB.LEDC.CCDD.PMT14在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應的是(A).A陰極B.陽極C.倍增極D.玻璃窗15像管中（D）的出現(xiàn)和使用，成為了第一代像管出現(xiàn)的標志性部件。A.負電子親和勢陰極；B.電子光學系統(tǒng)；C微通道板MCP；D.光纖面板 16半導體結中并不存在（D）A.PN結B.PIN結C.肖特基結D.光電結17光通量是輻射通量的（A）倍.A.683B.1/683C.863D.1/86318斯乃爾公式是（A）A222101sinnnncB212201sinnnncC222011sinnnncD202121sinnnnc19可產(chǎn)生太赫茲輻射的光源是（D）A.氙燈B.

4、CO2激光器C.氦氖激光器D.飛秒脈沖激光器20面陣CCD主要是通過（A）工作.A.電荷B.電壓C.電流D.電阻二、多項選擇題（每題2分，共10分）1.光電效應有（ABCDE）。A.光電導效應B.光生伏特效應C.內(nèi)光電效應D.丹培效應E.光子牽引效應 2.面陣CCD種類有(ABC).A.FTB.ILTC.FITD.FFE.II3.線陣CCD的組成包括（ABCDE）.A.ID B.IG C.OD D.OG E.MOS4.CCD的種類有（ABCDE）.A.紅外CCDB.可見光CCDC.X射線CCDD.紫外CCDE.微光CCD5.依熱效應分，熱探測器種類有（ABCDE）.A.輻射熱計B.輻射熱電偶C

5、.輻射熱電堆D.熱釋電探測器E.高萊管三.填空題(每空1分,共10分)1.光電二極管的PN結工作在反偏狀態(tài)，它的反向電流會隨光照強度的增加而增加。2吸收量M與投射的輻射線量E的比率稱為吸收系數(shù).3斯忒藩-玻耳茲曼定律，某一溫度物體總輻出度為T4 4按光波在時間、空間上的相位特征,將光源分為相干和非相干光源.5半導體受光照后電流增加的現(xiàn)象，稱為光電導效應.6.S()U()/(），S()稱為光電器件的光譜靈敏度7.人眼按不同照度下的響應可分為明視覺、暗視覺。四.簡答計算題(共40分)1.什么是熱光源？（5）答：物體由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境發(fā)射熱量的形式稱為熱輻射，這種物體稱為熱輻射源。2.

6、簡述LED的發(fā)光原理。（10分）答：光電二極管在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。3.何謂“白噪聲”？何謂“1/f噪聲”？要降低電阻的熱噪聲應采用什么措施？（10）答：功率譜大小與頻率無關，稱為白噪聲；功率譜與1/f成正比，稱為1/f噪聲。熱噪聲功率公式看出，熱噪聲與溫度、頻寬、電阻的倒數(shù)成正比，因此要降低溫度；常溫時，工作范圍要在1012Hz頻率以下。4.圖為一理想運算放大器，對光電二極管2CU2的光電流進行線性放大，若光電二極管未受光照時，運放輸出電壓U0=0.6V。在E=100lx的光照下，輸出電壓U

7、1=2.4V。求：（1）2CU2的暗電流；（2）2CU2的電流靈敏度。（15分）已知：U0=0.6V，E=100lx，U1=2.4V求ID和SE解：(1)根據(jù)運算放大器虛短和虛斷原理，由于運算放大器電阻很大，兩輸入端的信號差值很小，近似為零，估算2CU2中電流則流過R上的電流I0近似為流過2CU2的暗電流為IDI0IDU0/R0.6V/1.5M0.410-6A=0.4A(2)當受到光照時，2CU2的電流IPU1/R2.4/1.51.6A又IPSEESEIP/E1.6A/100lx1.6108(A/lx)第1、溫度變化與自發(fā)極化強度有何關系？答：晶體的整體溫度的微小變化T產(chǎn)生自發(fā)極化強度Ps的變

8、化可表示為Ps=PT式中P為熱釋電系數(shù)矢量，一般有三個分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsidT(單位ck)在與電熱釋電晶體的自發(fā)極化強度Ps軸垂直的表面內(nèi)出現(xiàn)的束縛電荷面密度等于Ps，晶體內(nèi)部電荷中和束縛電荷的平均時間=r這里為晶體的介電常數(shù)，r為晶體的電導率，多數(shù)熱釋電晶體值在11000s之間。第2、熱電勢探測器能否測量直流信號？為什么？答：用于人體的熱釋電探測器，它的工作波長為715m，人體輻射為9m，圖中被測物體（或人體）所輻射的紅外線經(jīng)過遮光盤的調(diào)制產(chǎn)生調(diào)制頻率為的紅外光照攝熱釋電晶體，當1時，晶體內(nèi)自由電荷來不及中和表面束縛電荷的變化結果就使在垂直于極化強度Ps的兩端面間出現(xiàn)交流

9、電壓，在端面上敷以電極，并接上負載電阻就有電流通過，在負載R兩端就有交流電壓輸出，設溫度變化率為dTdt，極化強度Ps對時間的變化率為dPsdt，電極面積為A，則AdPsdt就相當于電路上的電流，于是電壓輸出與溫度變化率成正比。第3、硅光電池為什么使用梳狀電池？答：梳狀電極：大面積光敏面采用梳狀電極可以減少光載流子的復合，從而提高轉(zhuǎn)換率，減少表面接觸電阻。第4、為什么有些光敏二極管在制作PN結的同時還做出一個環(huán)極？答：無光照時反向電阻很大（M級）只有打在PN結附近，使PN結空間電荷區(qū)（耗盡層）產(chǎn)生光生電子空穴對時它們與P區(qū)、N區(qū)的少數(shù)載流子一起在PN結內(nèi)電場的作用下做定向移動形成光電流，此時它

10、的反向電阻大為降低，一般只有1K到幾百歐，當負偏壓增加時耗盡層加寬使光電流增大，靈敏度提高，光電流與入射光照度成線性關系。光敏二極管的缺點：暗電流較大為了減少無光照時反向漏電流（暗電流）的影響有些光敏二極管（如2DU型）在制作PN結的同時還做出一個環(huán)形的擴散層引出的電極稱為環(huán)極，如圖所示因環(huán)極電位比負極電位高所以反向漏電流（暗電流）直接從環(huán)極流過而不再經(jīng)過負極從而可以減少負極與正極之間的暗電流。第5、兩種高速的光電二極管的結構特點和原理？（PIN、APD）答：PIN光電二極管結構特點：P層和N層之間增加了一層很厚的高電阻率的本征半導I增加I區(qū)優(yōu)點：（1）因為I區(qū)相對的P區(qū)和N區(qū)是高阻，在反偏的

11、工作情況下，它承受極大部分電壓降，使耗盡區(qū)增大，這樣展寬了光電轉(zhuǎn)換有效工作區(qū)，使靈敏度增大 （2）又因為PIN結光電二極管的工作電壓是很高的反偏電壓，使PIN結的耗盡層加寬，電場強光生電流加速因而大幅度減少了載流子在結構內(nèi)漂移時間元件的響應速度加快電路特點：反偏電壓高APD光電二極管結構特點：在光照時P+層受光子能量激發(fā)的電子從所帶電躍遷到導帶，在高電場作用下，電子從高速通過P層產(chǎn)生碰撞電離，形成大量新生電子空穴對，并且它們也從電場中獲得高能量與從P+層來的電子一起再次碰撞P區(qū)的其他原子，又產(chǎn)生大批新生電子第6、光纖傳感器種類？答：光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖

12、傳感器，它是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，既感知信息又傳輸信息，所以又稱傳感型光纖傳感器。另一類是非功能型傳感器，又稱NF型光纖傳感器，它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自于遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱為傳光型光纖傳感器。第7、硅光電池和硒光電池的結構，適用的波長范圍（光譜特性），適合何種光，在實際中應用如何？答：硒光電池結構：先在鋁片上覆蓋一層P型半導體硒，然后蒸發(fā)一層鎘，然后加熱生成N型硒化鎘，與原來P型硒形成一個大面積PN結，然后涂上半透明保護層，焊上電極，鋁片為正極，硒化鎘為負極。適用波長0.30.7m。在實際應用中，由于硒光電

13、池的光譜響應曲線與V（）很相似，很適合做光度測量的檢測量。硅光電池結構：它是用單晶硅組成的，在一塊N型硅片上擴散P型雜質(zhì)（如硼），形成一個擴散P+N結；或在P型硅片擴散N型雜質(zhì)（如磷），形成N+P結；再焊上兩個電極。P端為光電池正極，N端為光電池負極，作光電檢測器在地面技術上使用的最多為P+N型。適用波長0.51.0m在實際應用中，把硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站、野外燈塔、航標燈和無人氣象站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。第8、光電導效應：在物質(zhì)受到輻射光的照射后，材料的電學性質(zhì)發(fā)生了變化（電導率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感應電動勢等）的現(xiàn)象稱為光電效應。外光

14、電效應：是指受到光輻射的作用后，產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應：是指受到光照射的物質(zhì)內(nèi)部電子能量狀態(tài)產(chǎn)生變化，但不存在表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。光電導效應：半導體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導體中載流子顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。光生伏特效應：光照在半導體PN結或金屬半導體接觸面上時，會在PN結或金屬半導體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光電動勢。本征光電導效應：只有光子能量m大于材料禁帶寬度Eq的入射光，才能激發(fā)出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導效應現(xiàn)象光熱效應：某些物質(zhì)受到光照后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象溫差電效應：由兩種材料制成的結點出現(xiàn)溫差而在兩結點間產(chǎn)生電動勢回路產(chǎn)生電流雜質(zhì)光電導效應：是指

15、雜質(zhì)半導體中的施主或者受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導率的現(xiàn)象第9、兩種高速的光電二極管的結構特點，原理答：APD：在光照時，P+層受光子能量激發(fā)的電子從價帶躍遷到導帶，在高電場作用下，電子從高速通過P層并在P層產(chǎn)生碰撞電離形成大量新生電子空穴對，并且它們也從電廠中獲得高能量，與從P+層來的電子一起再次碰撞P區(qū)的其他電子，又產(chǎn)生大批新生中子PIN：P層和N層之間增加了一層很厚的高電阻率的本征半導體I第10、光電管、光電倍增管的光譜特性取決于什么、結構和原理答：光電管：光譜特性陰極材料不同時，對不同波長的光敏感度不同工作原理和結構如圖。光電倍增管：光譜響應寬特別是對紅

16、光和紅外光。工作原理：陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場作用而獲得較大的能量，當電子以足夠的速度打到倍增電極上時，倍增電極便會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，使得向陽極方向運動的電子數(shù)目成倍的增加，經(jīng)過多極倍增，最后到達陽極被收集而形成陽極電流隨著光信號的變化、在倍增極不變的條件下，陽極電流也隨光信號而變化達到把小的光信號變成大的電信號的目的。結構：光陽極K，倍增極D，陽極A第11、為什么功能型光纖傳感器在結構上是連續(xù)的？答：功能型傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件既感知信息又傳輸信息，光纖與被測對象相互作用時光纖本身的結構參量（尺寸和形狀）發(fā)生變化，光纖的傳光特性發(fā)生相關變化，光纖中

17、的光波參量受到相應控制即在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿搅吮粶y對象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象的信息，另一層意思，光纖與被測對象作用時，光纖自身的結構參量并不發(fā)生變化，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化，攜帶了待測信息第12、APD光電二極管在結構上有什么優(yōu)點，為什么？答：雪崩式光電二極管(APD)結構特點：在光照時，P+層受光子能量激發(fā)的電子從價帶躍遷到導帶，在高電場作用下電子從高速通過P層產(chǎn)生碰撞電離形成的大量新生電子空穴對，并且它們也從電場中獲得高能量，與從P+層來的電子一起再次碰撞P區(qū)的其他原子，又產(chǎn)生大批新電子第13、PIN結光電二極管增加了一層I區(qū)有什么優(yōu)點？答：（1）因為I區(qū)

18、相對于P區(qū)的高阻，在反偏的工作情況下，它承受極大部分電壓降使耗盡區(qū)增大，這樣展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)，使靈敏度增大（2）又因為PIN結光電二極管的工作電壓是很高的反偏電壓，使PIN結的耗盡層加寬電場強光生電流加速，因而大幅度減少了載流子在結構漂移時間，元件的響應速度加快第14、為什么說光纖傳感器不受電磁場干擾？答：因為光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖是一種多層結構的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成的電絕緣耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠第15、試畫出激光多普勒光纖測速系統(tǒng)的原理圖，說明其工作原理？答：圖中He-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，分束鏡把激光分成兩路，在兩束光經(jīng)匯聚透鏡L1把它們匯聚成焦點，在焦點附近兩束光形成涉場、流體流經(jīng)這一范圍時，流體中的微小顆粒對光進行散射聚焦透鏡L2把這些散射光聚焦在光電倍增管上，產(chǎn)生包含流速信息的光電信號，經(jīng)適當?shù)碾娮泳€路處理可測出流體的流速第16、物質(zhì)、能量和信息是人類發(fā)展的三大基本要素。信息技術是一種綜合技術，