光電檢測技術(shù)考點整理

1、光電檢測技術(shù)考點整理一、填空題（35分）1. 能帶形成原因電子共有化。2.本征吸收在長波方向存在一個界限，稱為長波限。也稱紅線： 半導體的禁帶寬度愈窄，長波限愈長。 摻雜半導體的長波限大于本征半導體的長波限。 本征吸收發(fā)生條件：光子能量必須大于等于材料禁帶寬度：3. 載流子包括自由電子和自由空穴。4. N型：由施主（易釋放電子的原子）能級激發(fā)到導帶中去的電子來導電的半導 體稱為N型半導體。 自由電子的濃度自由空穴濃度；施主能級Ed靠近導帶Ec；施主電離能Ed，電子更容易躍遷到導帶。 P型：由受主（容易獲取電子）控制材料導電性的半導體。自由空穴的濃度自由電子濃度；受主能級Ea靠近價帶Ev；受主電

2、離能Ea，電子更容易躍遷到受主能級。5.載流子復合過程一般有直接復合和間接復合兩種。 摻雜半導體一間接復合為主。 同一類材料摻雜半導體吸收光的長波限比本征半導體吸收光的長波限長。6. 單色輻出度：任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度時絕對 黑體的單色輻出度。 ，含義：物體光譜發(fā)射率總等于其光譜吸收比， 也就是強吸收體必然是強發(fā)射體。7. 黑體中溫度位移關(guān)系（維恩位移定律）：，B不變。 得：當絕對黑體的溫度增高時，單色輻出度的最大值向短波方向移動。 絕對黑體的光譜吸收比是物體的光譜發(fā)射率；稱：？8. 光電二極管：加反偏電壓 工作物質(zhì) 激光器 諧振腔 電學光泵 泵浦原 化學光泵 熱學

3、光泵 光學光泵 發(fā)光二極管：加正偏電壓 激光器（優(yōu)）與發(fā)光二極管（缺）比較優(yōu)點：高亮度、單色性好（相干性）、方 向性強。 液晶：被動型發(fā)光。9. 半導體結(jié)型光器件按結(jié)的種類不同，分為：PN結(jié)型、PIN結(jié)型和肖特基結(jié)型 等。 頻率特性：結(jié)型光電器件當光照變化很快時，光電流滯后光照變化； 硅光電池負載大時頻率特性變差。 硅光電二極管：光生載流子，少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流。 硅光電池：零偏置下工作（可不加外電壓）； 當IL=0，RL=（開路），（IP是光電流，是反 向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。）； RL=0（短路），（是光電池的光電靈敏度；E是入 射光照度）。短路電流線性好。

4、10. 光電導器件中（光敏電阻）一般采用N型半導體制作（電子遷移率比空穴大）； 當光照的增加的時候電導率增加，光電流增加，電阻率下降。 光敏電阻的噪聲分為：產(chǎn)生-復合噪聲、熱噪聲、噪聲。11.光敏電阻的光電流與L的平方成反比，L越小，光敏性越大；12.真空光電器件包括光電管和光電倍增管兩類。 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，又稱為光電陰極。 光電陰極（入射、出射方向）分為：透射型（半透明光電陰極）和反射型（不 透明光電陰極）。13. PSD（光電位置傳感器）PIN做的； PSD分為一維PSD和二維PSD。 二維PSD按其電極位置分為：兩面分離型PSD、表面分離型PSD和改進表 面分離

5、型PSD。14.變像管把各種不可見輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的真空光電成像器件。 攝像管利用外光電效應進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，光電發(fā)射型攝像管。由 光導靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成。 視像管利用內(nèi)光電效應進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，光電導型攝像管。包括 光電陰極、移像區(qū)、存儲靶和電子束掃描區(qū)。15. 固體成像器件有兩大類：電荷耦合器件（CCD）； 自掃描光電二極管列陣（SSPD),又稱MOS圖像傳 感器。 CCD組成：信號輸入部分、電荷轉(zhuǎn)移部分、信號輸出部分； CCD信號是：電荷； CCD信號轉(zhuǎn)移區(qū)形式： 線陣CCD：單排傳輸結(jié)構(gòu)、雙排傳輸結(jié)構(gòu) 面陣CCD：幀轉(zhuǎn)移型（FT）、行間轉(zhuǎn)移型（ILT） （內(nèi)線轉(zhuǎn)移）

6、SSPD工作在電荷存儲方式（自掃描）。16. 紅外探測器能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 紅外探測器分為：熱探測器、光子探測器。17. 光電倍增管接地形式： 陰極接地、 陽極接地（用得更多）保護器件。18. 光纖損耗分為：吸收損耗、散射損耗； 階躍型光纖傳光原理全反射； 材料色散 光纖色散 波導色散 模式色散（單模無） 模式色散材料色散波導色散； 光纖分類（模式數(shù)量） 單模光纖 多模光纖 衡量聚光能力參數(shù)數(shù)值孔徑（NA）：只與光纖材料折射率有關(guān)，與光纖 半徑無關(guān)； 光強調(diào)制型 功能型 相位調(diào)制型 偏振態(tài)調(diào)制型 光纖傳感器 波長調(diào)制型 傳輸光調(diào)制型 非功能型 反射光強調(diào)制型 頻率調(diào)制型 光纖

7、液體折射率傳感器2、 簡答題（5分*7）1. LED（發(fā)光二極管）工作發(fā)光原理。 答：受主、施主材料摻到GaAs中分別形成P型、N型半導體，結(jié)合后形成PN 結(jié)；無偏壓時，PN結(jié)有內(nèi)建電場，內(nèi)電場阻礙電子從N到P區(qū)，孔穴從P 到N區(qū)；有外電場時，克服內(nèi)電場作用，電子從N進入P區(qū)，空穴從P 進入N區(qū)；在耗盡層，電子自發(fā)地與空穴復合而產(chǎn)生光子，光子向各方向 運動，形成結(jié)型發(fā)光。2. NPN光電三極管工作原理。 答：(1)工作時，集電極反偏置，發(fā)射極正偏置，Vc>Vb>Ve； (2)c-b結(jié)區(qū)有強內(nèi)建電場cb，光照c時，光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子中的 電子流向c，空穴流向b，相當于向b注入控制

8、電流Ib=Ip； (3)b-e結(jié)是正向偏置，有電流放大作用，則集電極電流 Ic=Ib=Ip=ESE (4)集電結(jié)完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)基極、發(fā)射極放大。故可視為光電二極管+ 普通晶體管。3.PSD（光電位置傳感器）的工作原理。 答：當光照射到PSD的光敏面上時，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強成比例 的電荷，此電荷通過P層向電極流動形成光電流。由于P層的電阻是均 勻的，電阻與長度成正比，所以兩電極輸出的電流分別與光點到兩電極的 距離成反比。根據(jù)兩極電流可算出光點位置。4. CCD耦合過程。 答：P147脈沖信號不斷地改變電極上的電壓，而驅(qū)動信號使電荷可控地一位一位地順序傳輸，這就是電荷耦合。P1475

9、. SSPD的工作過程。 答：（1）給移位寄存器加時鐘和起始脈沖（引導掃描開始），就產(chǎn)生依次延遲 一拍的采樣掃描信號； （2）多路開關(guān)依序閉合（讀出）、斷開（積分），從而把各位PD上的信號 從視頻線上輸出； （3）各單元輸出的電信號隨不同位置照度的變化而變化，這樣就把一副光 照隨位置變化的光學圖像轉(zhuǎn)換為一列幅值隨話時間變化的視頻輸出 信號。6.光電倍增管工作原理。 答： 光子透過入射窗口入射在光電陰極K上； 光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子； 光電子被電子光學系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā) 射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增后，光電子 數(shù)就放大N次； 經(jīng)過倍增

10、后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負 載RL上產(chǎn)生信號電壓0。7. 紅外熱探測器的原理和特性。 答：紅外熱探測器是用探測元件吸收紅外輻射能量而引起溫度升高，據(jù)此再借 助各種物理效應把溫度升高轉(zhuǎn)變成電量的一種探測器。 光電轉(zhuǎn)換過程：一、熱探測器吸收紅外輻射引起溫度升高，這一步對各種 熱探測器都一樣； 二、是利用熱探測器某些溫度效應把溫度升高轉(zhuǎn)變成電量 的變化。 特性： 響應頻率與波長無關(guān)，屬于無條件選擇性探測器； 受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢； 熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低； 可在室溫下工作。8.激光器工作過程、原理。 答：激光器的工作過程先是泵浦

11、源自發(fā)輻射，將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激 發(fā)到高能態(tài)，再使工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射，這些輻射在諧振腔的兩個平面 之間來回傳播形成振蕩，多次反射使其輻射能量放大，最后通過部分透 射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。9.硅光電池工作過程。 答：光電池是一個PN結(jié)，在不加偏置是可將光能轉(zhuǎn)換成電。當有光照時，入 射光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對在內(nèi)電場作用下形成光生電流，光生電流流 過負載電阻產(chǎn)生電壓降，相當于給PN節(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正 向電流，兩者之差即為硅光電池產(chǎn)生總電流。10. 光電管光放大過程。 答：真空光電管的工作過程：光線從光窗照射到光電陰極 上，光電陰極產(chǎn)生光電子，光電子在電場的作用下被 加

12、速，并被陽極收集，形成光電流。 充氣光電管(充入低壓惰性氣體)的工作過程：光線從 光窗照射到光電陰極上，光電陰極產(chǎn)生光電子在加速向 陽極運動中與氣體原子碰撞而使其發(fā)生電離，電離產(chǎn)生 的新電子數(shù)倍于原光電子再被陽極收集形成光電流。11.雪崩倍增效應含義及雪崩二極管保護環(huán)作用。 答：雪崩倍增效應：光電管加高反偏時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生強電場；光生載流子受強電 場加速獲得高能量，與原子碰撞使原子電離；新的電子- 空穴對向電極運動獲得高能量，再次碰撞原子，產(chǎn)生新電 子-空穴對；不斷重復，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加。這稱 為雪崩倍增效應。 保護環(huán)的作用：增加高阻區(qū)寬度； 減小表面漏電流； 避免邊緣過早擊穿。12. 光電

13、導器件的光譜響應的的特性。 答： 本征光電導材料的理想光譜響應曲線圖a所示，但是實際光電導材料對各 種波長輻射的吸收系數(shù)不同，在材料不同深度上獲得的光功率也不同。在較長 波長上，吸收系數(shù)很小，一部分輻射會擊穿過材料，量子效率較低。隨著波長 減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全部被材料吸收，光電導率達到峰值。 當波長再減小時，吸收系數(shù)進一步增加，靠近材料表面附近光生載流子比較密 集，致使復合增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降，向短波長方 向的光譜響應顯著下降。一般情況下峰值靠近長波限，實際定義長波限為峰值 一半處所對應的波長。實際情況如圖b所示。13. 面陣CCD轉(zhuǎn)移工作過程（幀轉(zhuǎn)移型

14、）。答: 幀轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、暫存區(qū)、水平讀出寄存器和讀出電路四個部分。 當積分結(jié)束時，光敏元和暫存區(qū)以同一速度快速驅(qū)動，將光敏區(qū)的一場信 息轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)，然后光敏區(qū)重新開始另一場積分。與此同時，暫存區(qū)的光信號逐行向讀出寄存器轉(zhuǎn)移。工作時，讀出寄存器的傳輸速率為垂直列電荷耦合溝道CCD傳輸速率的y倍（y為垂直CCD的個數(shù)），每當讀出寄存器驅(qū)動y次，表示一行信息讀完，進入行消隱。在行消隱期間，暫存區(qū)的垂直CCD向下傳輸一次，即向讀出寄存器轉(zhuǎn)移一行信息電荷。至此，讀出寄存器又開始新的一行信號讀出，如此往復下去。14. 硅靶的光電轉(zhuǎn)換過程。答：硅靶的光電轉(zhuǎn)換過程： 信號板通過引線、負載電阻與靶電

15、源的正極相連。電子槍的熱陰極接地，掃描電子束即具有地的電位。當電子束掃描到每個P型島時，P型島的PN結(jié)即被反偏置，結(jié)電容被充電到靶電源電壓。 無光照時，由于PN結(jié)有反向漏電流（暗電流），在負載電阻上要產(chǎn)生少量的電壓降，靶的兩邊成像面（信號板一邊的靶面）和掃描面（朝著電子槍一邊的靶面）之間的電壓，略低于靶電源電壓。 有光照時，光進入到每個PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子空穴對，它們被結(jié)內(nèi)電場分離后，光電子通過信號板等外電路入地，光生空穴被積累于P型島上。如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻的升高；如果光照不均勻，是一幅光學圖像，則掃描面上各P型島的電勢分布將正比于入射光學圖像的亮度分布，亮度高的點，所對應

16、的P型島的電勢也高。當電子束再次掃描各個二極管時，其電位被拉平到陰極電位，產(chǎn)生的光電流流過負載電阻就形成與光學圖像對應的視頻信號。掃描過程： 從電子腔發(fā)射出來的電子束依次沿著靶面掃描，為了提高靈敏度，每個像素在掃描周期內(nèi)不間斷地對轉(zhuǎn)換后的電量進行積累；當電子束依次沿著順序地轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，就完成了掃描輸出的功能。三、計算題（10分*2）1.光纖傳導模式數(shù)計算：VM；、（取整）； 單模傳輸條件：2. 二相驅(qū)動CCD，像元素N=1024，若要求最后位任有80%的電荷輸出，求電荷轉(zhuǎn)移損失率為多少？解：轉(zhuǎn)移數(shù)：二相：N*2/3，總轉(zhuǎn)移率：轉(zhuǎn)移效率， 1個像素點轉(zhuǎn)移損失率=1-。 | | a3.空間

17、分辨率： b 單位長度上的線速（空間頻率？）：1mm/1個像素點長度， 最小輻照度Ee，面積=a*b=S，最小響應度：R=100V/mw， Nnoise（暗電流）。 最小照度值 Ee*S*R=Nnoise 最小照度E。4.一支He-Ne激光器（波長為632.8nm）發(fā)出激光功率為2mW。該激光束的平面 發(fā)散角為1mrad，激光器的放電毛細管直徑為1mm。（P27）求出該激光束的光通量、發(fā)光強度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m遠的白色漫反射屏上，該漫反射屏的反射比為0.85， 求該屏上的光亮度。 解：（1）光通量： C 最大光視效能，683lm/W； e輻通量； V 視函數(shù)（查表）。 （2）發(fā)光強度：， （3）光亮度： （4）光