光電技術(shù)復(fù)習(xí)大綱

1、光電技術(shù)復(fù)習(xí)大綱1 .光電技術(shù)特征是什么它的核心是什么它的最基本的理論是什么(1)光電技術(shù)的特征：利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、發(fā)送、探測(cè)、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。(2)核心：光與電之間的轉(zhuǎn)換機(jī)理體現(xiàn)于光電器件之中最基本的理論：光的波粒二象性。2 .什么是光電器件它的分類有哪些舉例說(shuō)明.(1)凡能完成光電或電光轉(zhuǎn)換及在光電系統(tǒng)中能對(duì)光路傳輸，光電轉(zhuǎn)換起到調(diào)節(jié)或控制作用的器件，都應(yīng)歸入光電器件。(2)電光信息轉(zhuǎn)換：1.發(fā)光二極管2.半導(dǎo)體?光器3.液晶顯示器4.陰極射線管5.等離子體顯示板光電信息轉(zhuǎn)換：光電發(fā)射效應(yīng)器件：光電倍增管；光電導(dǎo)效應(yīng)器件：光敏電阻；光生伏特效應(yīng)器件：

2、光敏 二極管；熱釋電效應(yīng)器件：熱釋電探測(cè)器。3 .光學(xué)具有哪些學(xué)說(shuō)幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)它們研究?jī)?nèi)容主要是什么(1)光的粒子性，光的波動(dòng)性，光的電磁學(xué)說(shuō)，光的量子學(xué)說(shuō)，幾何光學(xué)，物理光學(xué)，量子光學(xué)，應(yīng)用光學(xué)。(2)幾何光學(xué)是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)得來(lái)的基本原理出發(fā)的，來(lái)研究光的傳播問(wèn)題的學(xué)科。用波動(dòng)光學(xué)可以圓滿的解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播，在進(jìn)一步研究中觀察到了光的 偏振和偏振光的干涉。4 .什么是光程發(fā)生全發(fā)射的條件是什么(1)光程等于光在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)的幾何路程l與該介質(zhì)的折射率 n的乘積(2) sin i mn ( nn )5 .光的干涉條件是什么衍射現(xiàn)象是什么干涉和衍射現(xiàn)象本質(zhì)是什么(1)

3、 1'頻率相同；2.相位差恒定；3光矢量振動(dòng)方向平行。(2)光的衍射是指光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象；(3)光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其實(shí)質(zhì)都是相干光波疊加引起的光強(qiáng)的重新分布；6 .輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么可見(jiàn)光的波段是多少(1)輻射度學(xué)：？?對(duì)電磁輻射能量進(jìn)行客觀計(jì)量的學(xué)科稱輻射度學(xué)；是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量。輻射度學(xué)研究范圍為整個(gè)電磁輻射譜區(qū)。光度學(xué)：在可見(jiàn)光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)科稱為光度學(xué) 。與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380780nm納米。即光度學(xué)量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺(jué)特性的

4、人眼所接收到的輻射量的度量，它與人的生理學(xué)、心理學(xué)特 性直接相關(guān)。輻射度參量一I用下腳標(biāo) e表示，光度學(xué)參量則用下腳標(biāo) v表示。(2)可見(jiàn)光波段(760380nn)。7 .熱輻射與發(fā)光的區(qū)別是什么什么是黑體(1) 凡能發(fā)射連續(xù)光譜，且輻射是溫度的函數(shù)的物體，叫做熱輻射。物體不是靠加熱保持溫度使輻射維持下去，而是考外部能量激發(fā)的輻射，稱為發(fā)光。(2) 能夠完全吸收從任何角度入射的任一波長(zhǎng)的輻射，并且在每個(gè)方向上都能最大限度的發(fā)射任意波長(zhǎng)輻射能的物體，稱為黑體，顯然黑體的吸收系數(shù)為1,發(fā)射系數(shù)也為1.8 . 什么是I類半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體(1)1型半導(dǎo)體是完全純凈或結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，是完

5、全由基質(zhì)原子組成的晶體。在絕對(duì)零度時(shí)，不受外界影響的情況下，導(dǎo)帶沒(méi)有電子，價(jià)帶也沒(méi)有空穴，因此不能導(dǎo)電。在熱運(yùn)動(dòng)或外界的影響下，價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，構(gòu)成導(dǎo)電載流子。(2)在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。對(duì) N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的電子只要獲得很小的能量，就能脫離原子而參加導(dǎo)電，由于導(dǎo)帶中的電子在導(dǎo)電 中起主要作用，因此也稱為“電子型半導(dǎo)體”。它是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子(自由電子)的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體中，自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子.在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素(如硼)，使之

6、取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體是以空穴為主導(dǎo)電的半導(dǎo)體，這樣的半導(dǎo)體也稱為“空穴型半導(dǎo)體”。摻入的雜質(zhì)越多，多子(空穴)的 濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。9 .什么是光電效應(yīng)外光電效應(yīng)與內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別是什么(1)物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。(2)外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的主要區(qū)別在于：受光照而激發(fā)的電子，前者逸出物質(zhì)表面形成光電子流，而后者則在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電。10 .什么是光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射閾值的含

7、義是什么它與“逸出功”有什么區(qū)別(1)具有能量hv的光子，被物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)吸收后激發(fā)出自由電子，當(dāng)自由電子的能量足以克服物 質(zhì)表面勢(shì)壘并逸出物質(zhì)的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，逸出電子在外電場(chǎng)作用下形成光電子流。這就是 物質(zhì)的光電發(fā)射現(xiàn)象。光電發(fā)射現(xiàn)象又叫做外光電效應(yīng)?？梢园l(fā)射電子的物質(zhì)稱為光電發(fā)射體。(2) “光電發(fā)射閾值”用 Eth表示，它與光電發(fā)射陰極的暗電流有關(guān)。(3)它與“逸出功”的區(qū)別：電子克服原子核的束縛，從材料表面逸出的最小能量，能更好地分析光電發(fā)射 是所需要的電子發(fā)射條件。11 .什么是光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)的主要特點(diǎn)是什么光敏電阻的光電特性是什么(1)半導(dǎo)體材料受光照

8、時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大(電阻減小)，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。特點(diǎn)：光照度越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)也就越大。當(dāng)PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載構(gòu)成閉合回路時(shí)，就會(huì)有電流沿著由經(jīng)外電路到的方向流動(dòng)。只要輻射光不停止，這個(gè)電流就不會(huì)消失。這就是PN結(jié)被光照射時(shí)產(chǎn)生光生 電動(dòng)勢(shì)和光電流的機(jī)理。(3)電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。12 .什么是信噪比(S/N),噪聲的等效功率光敏電阻的主要噪聲有哪些(1)信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)，是負(fù)載電阻上信號(hào)功率和噪聲功率之比。噪聲等效功率：信號(hào)功率與噪聲功率比為1 (SNR=1時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻

9、射通量(單位為瓦)。(2)光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。13 .寫(xiě)出硅光電二極管的全電流方程，說(shuō)明各項(xiàng)的物理含義I-q (1 exp( d)eI d(1 exp(qU/kT)hC式中ri為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，a為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。14 .影響光生伏特器件頻率響應(yīng)特性的主要因素有哪些怎樣提高硅光電二極管的頻率響應(yīng)(1)影響PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間 °p,如何擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)重要措施。(2)1 )減小PN結(jié)面積；2)增加勢(shì)壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結(jié)深；3)適當(dāng)增加工作電壓；4)

10、盡量減少結(jié)構(gòu)造成的分布電容；5)增加PN結(jié)深，減小串聯(lián)電阻；6)設(shè)計(jì)選用最佳負(fù)載阻值。15 .雪崩光電二極管工作原理是什么雪崩擊穿電壓是指什么使用時(shí)應(yīng)注意哪些因素的影響初始的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得很大的動(dòng)能，其在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程總與晶體的晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子 空穴對(duì)，稱為碰撞電離過(guò)程。此過(guò)程多次重復(fù)。從而反向電流也迅速增大形成雪崩倍增效應(yīng)。(1)雪崩光電二極管是利用 PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種二極管，這種管子工作電壓 很高，約100200V,接近于反向擊穿電壓。(2)(1)雪崩過(guò)程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大；(2)由于材料本身(特別是表面部分)具有一定的缺陷，使P

11、N結(jié)的各區(qū)域電場(chǎng)分布不均勻，局部的高電場(chǎng)區(qū)首先發(fā)生擊穿，使漏電流變大，這相當(dāng)于增強(qiáng)了噪聲。為避免這一情況發(fā)生，在選擇材料和工藝上應(yīng)加以注意。雪崩光敏二極管的工作偏壓必須適當(dāng)。過(guò)小時(shí)，增益太小；過(guò)大時(shí)，噪聲大，而且電壓過(guò)高可能使管子被擊穿燒毀。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移， 必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。16 .光電三極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的它的工作原理是什么(1)光電三極管與普通半導(dǎo)體三極管一樣有兩種基本結(jié)構(gòu)，NPN；吉構(gòu)與PNP吉構(gòu)。(2)光電三極管的工作原理分為兩個(gè)過(guò)程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。17 .硅光電池有哪些分類它們有什么特點(diǎn)和用途 按用途太陽(yáng)能光電池：用作電源(效率高，成本

12、低)測(cè)量用光電池：探測(cè)器件(線性、靈敏度高等)按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺(jué)內(nèi)薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié) “m,短波峰值600nm18 .硅光電池的內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)在什么條件下硅光電池的輸出功率最大 (1)極電容，串接電阻，串接電阻越小越好。(2) 顯然，存在著最佳負(fù)載電阻 Ropt,在最佳負(fù)載電阻情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax19 .光生伏特器件有幾種偏置電路各有什么特點(diǎn)(1)光生伏特器件有反向偏置電路，零偏置電路，自偏置電路。(2)特點(diǎn)：自偏置電路的特點(diǎn)是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當(dāng)負(fù)載為最佳負(fù)載電阻時(shí)

13、具有最大的輸出功率，但是自偏置電路的輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關(guān)系很差，因此在測(cè)量電 路中好少采用自偏置電路。反向偏置電路：光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光生伏特器件的線性范圍加寬，因此反向偏置電路被廣泛應(yīng)用到大范圍的線性光電 檢測(cè)與光電變換中。零偏置電路：光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流Isc與入射輻射量(如照度)或線性關(guān)系變化，因此零伏偏置電路是理想的電流放大電路。20 .選用光電器件的基本原則有哪些1.與輻射信號(hào)源和光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。2.光電轉(zhuǎn)換特性與入射輻射能量匹配。3.光電器件的時(shí)間響應(yīng)特性必須與光信號(hào)的調(diào)制形式

14、、信號(hào)頻率及波形相匹配。4、光電器件與變換電路必須與后面的應(yīng)用電路的輸入阻抗良好的匹配。5.為保證器件長(zhǎng)期工作時(shí)的可靠性，必須選擇期間的參數(shù)和使用環(huán)境等。21 .光電發(fā)射器件最重要部件是什么它的作用是什么光電發(fā)射陰極是光電發(fā)射器件的重要部件，它是吸收光子能量發(fā)射光電子的部件。22 .充氣型光電管的工作原理是什么它與真空型光電管相比較有什么優(yōu)點(diǎn)(1)光照生電子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子， 它與光電子一起都被陽(yáng)極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。(2)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高23 .光電倍增管的工作原理是什么光電倍增管的疲勞與衰老的含義，兩者的差別是什么(1)當(dāng)

15、光子照射至光陰極上時(shí)，由于光電效應(yīng)，致使從光陰極表面上逸出相應(yīng)數(shù)目的光電子。由于相鄰電極之間電壓逐漸增高，在電場(chǎng)作用下，電子將被加速轟擊到第一打拿極上，發(fā)射出成倍的二次電子。繼而它們又轟擊第二打拿極，依次下去，電子逐級(jí)倍增。最后聚集到陽(yáng)極上的電子數(shù)，可達(dá)陰極發(fā)射電子數(shù)的10倍。利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射相結(jié)合即一一把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的 一種光電探測(cè)器件。(2)疲勞：在較強(qiáng)的輻射作用下，倍增管靈敏度下降的現(xiàn)象稱為疲勞，這是暫時(shí)現(xiàn)象，待管子避光存放一段 時(shí)間后，靈敏度將會(huì)部分或全部恢復(fù)過(guò)來(lái)，當(dāng)然過(guò)度的疲勞可能造成永久的損失。衰老：光電倍增管在正常使用情況下，隨著工作時(shí)

16、間的積累，靈敏度也會(huì)逐漸下降且不能恢復(fù)，將這種現(xiàn)象稱為衰老，這是真空器件特有的現(xiàn)象。區(qū)別：疲勞是暫時(shí)的，衰老是永不能恢復(fù)靈敏度的。24 . 熱釋電器件為什么不能工作在直流狀態(tài)下工作頻率等于何值時(shí)熱釋電器件的電壓靈敏度達(dá)到最大值(1)見(jiàn)書(shū)P108頁(yè)倒數(shù)第二段，P111頁(yè)電壓靈敏度公式。(2)見(jiàn)書(shū)P112頁(yè)與頻率之間的關(guān)系。25 . 熱釋電器件的最小可探測(cè)功率與哪些因素有關(guān) 答：調(diào)制頻率，負(fù)載電阻，抑制噪聲能力。26 . 熱電偶器件的工作原理是什么它的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些(1) 熱電偶測(cè)溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的二個(gè)

17、執(zhí)著點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，因而在回路中形成電流, 溫度差越大，電流越大，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。(2) 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600 均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-271-+2800 如金鐵鎳鉻和鎢 -錸。 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。27 . 為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光發(fā)向偏置

18、的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定的光譜的半寬度有何意義答：由于LED 的發(fā)光機(jī)理是非平衡載流子即電子與空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求有非平衡載流子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使電子由N 區(qū)向 P 區(qū)運(yùn)動(dòng)，而空穴由P 區(qū)向 N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN 結(jié)內(nèi)部的漂移運(yùn)動(dòng)占主要優(yōu)勢(shì)，而這種少子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是電子與空穴的復(fù)合幾率小，而且表現(xiàn)在數(shù)量上也是很微弱的，不足以使LED 發(fā)光。因此，要使LED 發(fā)光，必須加正向偏壓。發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無(wú)關(guān)。無(wú)論什么材料制成的LED都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處(光輸出

19、最大)，與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)即為峰值波長(zhǎng)。在LED 譜線的峰值兩側(cè)處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值一半的點(diǎn)，分別對(duì)它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱半功率寬度，它是一個(gè)反映LED 單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。28 .產(chǎn)生激光的3個(gè)必要條件是什么半導(dǎo)體激光器(LD)有什么特點(diǎn)LD與LED發(fā)光機(jī)理的根本區(qū)別是什么為什么LD光的相干性要好于 LED光(1)1 )受激輻射；2)分布反轉(zhuǎn)；3)諧振腔；29 ) 半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長(zhǎng)，并可采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)泵浦。其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可以與之單片集成，并且還可用高達(dá)

20、GHz 的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)測(cè)量、自動(dòng)控制等方面。LD 的發(fā)光機(jī)理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而 LED 發(fā)光的機(jī)理是非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光。由于LD 的發(fā)光過(guò)程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的時(shí)間和空間相干性。29. 為什么要將發(fā)光二極管與光電二極管封裝在一起構(gòu)成光電耦合器件光電耦合器件的主要特性有哪些(1) 發(fā)光器件與光電器件靠的很近，但不接觸，發(fā)光器件與光電器件之間具有很強(qiáng)的電氣絕緣特性，絕緣電阻常高于兆歐量級(jí)，信號(hào)通過(guò)光進(jìn)行傳輸。因此，光電耦合器件具有脈沖變壓器，繼電器，開(kāi)關(guān)電器的功能。(2) 光電耦合器件的特點(diǎn)：1. 具有電隔離功能；2. 信號(hào)傳輸信號(hào)方