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光电技术复习大纲


光电技术复习大纲
1. 光电技术特征是什么?它的核心是什么?它的最基本的理论是什么? (1)光电技术的特征:利用光电结合的原理和方法,实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、 处理和重现等。 (2)核心:光与电之间的转换机理体现于光电器件之中 最基本的理论:光的波粒二象性。 2. 什么是光电器件?它的分类有哪些?举例说明. (1)凡能完成光电或电光转换及在光电系统中能对光路传输,光电转换起到调节或控制作用的器件,都应 归入光电器件。 (2)电光信息转换:1.发光二极管 2.半导体激光器 3.液晶显示器 4.阴极射线管 5.等离子体显示板 光电信息转换:光电发射效应器件:光电倍增管;光电导效应器件:光敏电阻;光生伏特效应器件:光敏 二极管;热释电效应器件:热释电探测器。 3. 光学具有哪些学说?几何光学和波动光学它们研究内容主要是什么? (1)光的粒子性,光的波动性,光的电磁学说,光的量子学说,几何光学,物理光学,量子光学,应用光 学。 (2)几何光学是几个实验得来的基本原理出发的,来研究光的传播问题的学科。 用波动光学可以圆满的解释光的干涉和衍射现象,也能解释光的直线传播,在进一步研究中观察到了光的 偏振和偏振光的干涉。 4. 什么是光程?发生全发射的条件是什么? (1)光程等于光在介质中经过的几何路程 l 与该介质的折射率 n 的乘积 n? (2) sin i ? ( n? ? n )
m

n

5.

光的干涉条件是什么?衍射现象是什么?干涉和衍射现象本质是什么?

(1)1`频率相同;2.相位差恒定;3 光矢量振动方向平行。 (2)光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时,所发生的偏离直线传播的现象; (3)光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布; 6. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?可见光的波段是多少? (1)辐射度学: 对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学;是用能量单位描述光辐射能的客观物理 量。辐射度学研究范围为整个电磁辐射谱区。光度学:在可见光波段内,考虑到人眼的主观因素后的相应 计量学科称为光度学 。 与辐射度学类似, 但它只处理人眼可感知的光, 即可见光, 波长范围为 380~780nm 纳米。即光度学量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到的辐射量的度量,它与人的生理学、心理学特 性直接相关。 辐射度参量一般用下脚标 e 表示,光度学参量则用下脚标 v 表示。 (2)可见光波段(760~380nm) 。 7. 热辐射与发光的区别是什么?什么是黑体? 凡能发射连续光谱,且辐射是温度的函数的物体,叫做热辐射。物体不是靠加热保持温度使辐射 维持下去,而是考外部能量激发的辐射,称为发光。 (2) 能够完全吸收从任何角度入射的任一波长的辐射,并且在每个方向上都能最大限度的发射任意波 长辐射能的物体,称为黑体,显然黑体的吸收系数为 1,发射系数也为 1. 8. 什么是 I 类半导体,P 型半导体和 N 型半导体? (1)I 型半导体是完全纯净或结构完整的半导体,是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时,不受外界 影响的情况下,导带没有电子,价带也没有空穴,因此不能导电。在热运动或外界的影响下,价电子跃迁 到导带,产生自由电子和空穴,构成导电载流子。 (2)在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷) ,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了 N 型半导体。对 N 型半导体,施主杂质中的电子只要获得很小的能量,就能脱离原子而参加导电,由于导带中的电子在导电 中起主要作用,因此也称为“电子型半导体”。它是靠自由电子导电,掺入的杂质越多,多子(自由电子) (1)

的浓度就越高,导电性能也就越强。N型半导体中, 自由电子称为多数载流子;空穴称为少数载流子. 在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼) ,使之取代晶格中硅原子的位置,形成 P 型半导体。 P 型半导体 是以空穴为主导电的半导体,这样的半导体也称为“空穴型半导体”。掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓 度就越高,导电性能也就越强。 P 型半导体中空穴是多数载流子,主要由掺杂形成;电子是少数载流子, 由热激发形成。 9. 什么是光电效应?外光电效应与内光电效应的区别是什么? 中电子运动状态发生变化, 因而产生物质的光电导效应、 (1)物质在光的作用下, 不经升温而直接引起物质 光生伏特效应和光电子发射等现象。 (2)外光电效应和内光电效应的主要区别在于:受光照而激发的电子,前者逸出物质表面形成光电子流,而 后者则在物质内部参与导电。 10. 什么是光电发射效应?光电发射阈值的含义是什么?它与”逸出功”有什么区别? (1)具有能量 hν 的光子,被物质(金属或半导体)吸收后激发出自由电子,当自由电子的能量足以克服物 质表面势垒并逸出物质的表面时,就会产生光电子发射,逸出电子在外电场作用下形成光电子流。这就是 物质的光电发射现象。光电发射现象又叫做外光电效应。 可以发射电子的物质称为光电发射体。 (2)“光电发射阈值”用 Eth 表示,它与光电发射阴极的暗电流有关。 (3)它与“逸出功”的区别:电子克服原子核的束缚,从材料表面逸出的最小能量,能更好地分析光电发射 是所需要的电子发射条件。 11. 什么是光电导效应? 光生伏特效应的主要特点是什么?光敏电阻的光电特性是什么? (1)半导体材料受光照时, 由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大, 因而导致材料电导率增大 (电阻减小) , 这种现象称为光电导效应。 (2)特点:⑴光照度越强,光生电动势也就越大。 ⑵当 PN 结两端通过负载构成闭合回路时,就会有电流沿 着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不停止,这个电流就不会消失。这就是 PN 结被光照射时产生光 生电动势和光电流的机理。 (3)电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。 12. 什么是信噪比(S/N),噪声的等效功率?光敏电阻的主要噪声有哪些? (1)信噪比是判定噪声大小的参数,是负载电阻上信号功率和噪声功率之比。噪声等效功率:信号功率与噪 声功率比为 1(SNR=1)时,入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。 (2)光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称 1/f 噪声)。 13. 写出硅光电二极管的全电流方程,说明各项的物理含义?

I ??

?q?
hc

(1 ? exp(??d ))Φe,? ? I d (1 ? exp(qU / kT ))

式中η 为光电材料的光电转换效率,α 为

材料对光的吸收系数。 14. 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些?怎样提高硅光电二极管的频率响应? (1)影响 PN 结硅光电二极管时间响应的主要因素是 PN 结区外载流子的扩散时间τ p,如何扩展 PN 结区是 提高硅光电二极管时间响应重要措施。 (2)1)减小 PN 结面积;2)增加势垒区宽度,提高材料体电阻率和增加结深;3)适当增加工作电压;4) 尽量减少结构造成的分布电容;5)增加 PN 结深,减小串联电阻;6)设计选用最佳负载阻值。 15. 雪崩光电二极管工作原理是什么?雪崩击穿电压是指什么?使用时应注意哪些因素的影响? 初始的载流子在强电场的作用下获得很大的动能,其在高速运动过程总与晶体的晶格碰撞,产生新的电子 空穴对,称为碰撞电离过程。此过程多次重复。从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应。 (1)雪崩光电二极管是利用 PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管,这种管子工作电压 很高,约 100~200V,接近于反向击穿电压。 (2)(1)雪崩过程伴有一定的噪声, 并受温度的影响较大; (2)由于材料本身(特别是表面部分)具有一定的缺陷, 使 PN 结的各区域电场分布不均匀,局部的高电场区首先发生击穿,使漏电流变大,这相当于增强了噪声。

为避免这一情况发生,在选择材料和工艺上应加以注意。 雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时, 增益太小;过大时,噪声大,而且电压过高可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移,必须根 据环境温度变化相应调整工作电压。 16. 光电三极的内部结构是怎样的?它的工作原理是什么? (1)光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构,NPN 结构与 PNP 结构。 (2)光电三极管的工作原理分为两个过程:一是光电转换;二是光电流放大。 17. 硅光电池有哪些分类?它们有什么特点和用途? 按用途 太阳能光电池:用作电源(效率高,成本低) 测量用光电池:探测器件(线性、灵敏度高等) 按材料 硅光电池:光谱响应宽,频率特性好 硒光电池:波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池:CdS 增强抗辐射能力 紫光电池:PN 结 0.2~0.3 ?m,短波峰值 600nm 18. 硅光电池的内阻与哪些因素有关?在什么条件下硅光电池的输出功率最大? (1)极电容,串接电阻,串接电阻越小越好。 (2) 显然,存在着最佳负载电阻 Ropt,在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率 Pmax。 19. 光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点? (1)光生伏特器件有反向偏置电路,零偏置电路,自偏置电路。 (2)特点:自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率,且当负载为最佳负载电阻时具 有最大的输出功率,但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差,因此在测量电 路中好少采用自偏置电路。反向偏置电路:光生伏特器件在反向偏置状态,PN 结势垒区加宽,有利于光生 载流子的漂移运动,使光生伏特器件的线性范围加宽,因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电 检测与光电变换中。零偏置电路:光生伏特器件在零伏偏置下,输出的短路电流 Isc 与入射辐射量(如照 度)或线性关系变化,因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路。 20. 选用光电器件的基本原则有哪些? 1.与辐射信号源和光学系统在光谱特性上匹配。2.光电转换特性与入射辐射能量匹配。3.光电器件的时间响 应特性必须与光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配。4、光电器件与变换电路必须与后面的应用电路 的输入阻抗良好的匹配。5.为保证器件长期工作时的可靠性,必须选择期间的参数和使用环境等。 21. 光电发射器件最重要部件是什么?它的作用是什么? 光电发射阴极是光电发射器件的重要部件,它是吸收光子能量发射光电子的部件。 22. 充气型光电管的工作原理是什么?它与真空型光电管相比较有什么优点? (1)光照生电子在电场的作用下运动,途中与惰性气体原子碰撞而电离,电离又产生新的电子,它与光电子 一起都被阳极收集,形成数倍于真空型光电管的光电流 。 (2)优点:灵敏度高 23. 光电倍增管的工作原理是什么?光电倍增管的疲劳与衰老的含义,两者的差别是什么? (1)当光子照射至光阴极上时,由于光电效应,致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子。由于相邻电极 之间电压逐渐增高,在电场作用下,电子将被加速轰击到第一打拿极上,发射出成倍的二次电子。继而它 们又轰击第二打拿极,依次下去,电子逐级倍增。最后聚集到阳极上的电子数,可达阴极发射电子数的 10 倍。利用外光电效应和二次电子发射相结合即——把微弱的光输入转化为光电子,并使光电子获得倍增的 一种光电探测器件。 (2)疲劳:在较强的辐射作用下,倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳,这是暂时现象,待管子避光存放一段 时间后,灵敏度将会部分或全部恢复过来,当然过度的疲劳可能造成永久的损失。衰老:光电倍增管在正

常使用情况下,随着工作时间的积累,灵敏度也会逐渐下降且不能恢复,将这种现象称为衰老,这是真空 器件特有的现象。 区别:疲劳是暂时的,衰老是永不能恢复灵敏度的。 24. 热释电器件为什么不能工作在直流状态下?工作频率等于何值时热释电器件的电压灵敏度达到最大 值? (1)见书 P108 页倒数第二段,P111 页电压灵敏度公式。 (2)见书 P112 页与频率之间的关系。 25. 热释电器件的最小可探测功率与哪些因素有关? 答:调制频率,负载电阻,抑制噪声能力。 26. 热电偶器件的工作原理是什么?它的优缺点有哪些? (1)热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来,构成一个闭合回路。由于两种不同金 属所携带的电子数不同,当两个导体的二个执着点之间存在温差时,就会发生高电位向低电位放电现象, 因而在回路中形成电流,温度差越大,电流越大,这种现象称为这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。 。 热电偶就是利用这一效应来工作的。 (2)热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触, 不受中间介质的影响。②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可 测到-271--+2800℃如金铁镍铬和钨-铼。 ③构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成, 而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。 27. 为什么发光二极管必须在正向电压作用下才能发光?发向偏置的发光二极管能发光吗?发光二极管的 发光光谱由哪些因素决定的?光谱的半宽度有何意义? 答:由于LED 的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光,因此要 求有非平衡载流子的相对运动,使电子由N 区向P 区运动,而空穴由P 区向N 区运动。在 不加偏加或加反向偏压的情况下,PN 结内部的漂移运动占主要优势,而这种少子运动的结 果是电子与空穴的复合几率小,而且表现在数量上也是很微弱的,不足以使LED 发光。因 此,要使LED 发光,必须加正向偏压。 发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定,而与器件的几何形 状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED,都有一个相对光强度最强处(光输出最大),与之相对应 有一个波长,此波长即为峰值波长。在LED 谱线的峰值两侧处,存在两个光强等于峰值一半的点,分别对 它们之间的宽度即为半谱线宽度,也称半功率宽度,它是一个反映LED 单色性的参数。半宽度越小,则发 光光谱单色性越好,发光功率集中于半谱线宽度内。 28. 产生激光的 3 个必要条件是什么?半导体激光器(LD)有什么特点?LD 与 LED 发光机理的根本区别是什 么?为什么 LD 光的相干性要好于 LED 光? (1)1)受激辐射;2)分布反转;3)谐振腔; (2) 半导体激光器体积小,重量轻,效率高,寿命长,并可采用简单的注入电流的方式来泵 浦。其工作电压和电流与集成电路兼容,因而可以与之单片集成,并且还可用高达GHz 的 频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点,它广泛应用于光通信、 光学测量、自动控制等方面。LD 的发光机理是激光工作物质的受激辐射,而LED 发光的机理是非平衡载 流子的复合发光。由于LD 的发光过程是受激辐射,单色性好,发射角小,因此有很好的时间和空间相干 性。 29. 为什么要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件?光电耦合器件的主要特性有哪 些? (1)发光器件与光电器件靠的很近,但不接触,发光器件与光电器件之间具有很强的电气绝缘特性,绝缘电 阻常高于兆欧量级,信号通过光进行传输。因此,光电耦合器件具有脉冲变压器,继电器,开关电器的功

能。 (2)光电耦合器件的特点:1.具有电隔离功能;2.信号传输信号方向 3.具有抗干扰和噪声的能力 4.响应速度 快;5.实用性强 6.既具有耦合特性又具有隔离特性。 30. CCD(电荷耦合器件)的主要有哪两种基本类型? CCD 图像传感器主要有两种基本类型,一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面 进行转移的器件,称为表面沟道 CCD(简称为 SCCD)器件;另一种为信号电荷包存储在距离半导体表面 一定深度的体内,并在半导体体内沿一定方向转移的器件,称为体沟道或埋沟道器件(简称为 BCCD) 。 31. CCD 的基本工作原理是什么?它有什么优缺点? (1)原理:电荷耦合器件(CCD)特点——以电荷作为信号。 CCD 的基本功能——电荷存储和电荷转移。 CCD 工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。 (2)与真空摄像器件相比,CCD 还有以下优点: (1) 体积小,重量轻,功耗低;耐冲击,可靠性高,寿命 长; (2) 无象元烧伤、扭曲,不受电磁场干扰; (3) 象元尺寸精度优于 1? m,分辨率高; (4) 基本上不 保留残象(真空摄像管有 15%~20%的残象)(5) 视频信号与微机接口容易。 。 (6)光谱相应范围宽,动 态响应范围宽(7)灵敏度高,暗电流小,监测噪音低(8)与微光像增强器级联,低照度下可采集信号(9) 有抗过度曝光性能 32. 光电信息变换的基本形式有哪些? 1.信息载荷于光源的方式 。2.信息载荷于透明体的方式 。3. 挡光的方式 5. 信息载荷于光学量化器的方式 5. 信息载荷于反射光的方式 4. 信息载荷于遮 信息载荷于光学量化器的方式

33. 了解光电导器件,光生伏特器件,光电发射器件的典型偏置电路.


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