光電檢測習(xí)題解答[講課適用]

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1、光電技術(shù)綜合習(xí)題解答 一、單項選擇題一、單項選擇題 在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（ ）。 A陰極B陽極 C二次發(fā)射極 D光窗 光電二極管的工作條件是（ ）。 A加熱 B加正向偏壓 C加反向偏壓D 零偏壓 1學(xué)校課堂 光電技術(shù)綜合習(xí)題解答 一、單項選擇題一、單項選擇題 在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（A）。 A陰極B陽極 C二次發(fā)射極 D光窗 光電二極管的工作條件是（C）。 A加熱 B加正向偏壓 C加反向偏壓D 零偏壓 2學(xué)校課堂 輻射通量，光通量，發(fā)光強度，光照度的單位分別為（ ）。 (A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明 (C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特

2、每平方米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光輻射下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于（ ）。 (A)外光電效應(yīng) (B)光熱效應(yīng) (C)光電導(dǎo)效應(yīng) (D)光生伏特效應(yīng) 3學(xué)校課堂 輻射通量，光通量，發(fā)光強度，光照度的單位分別為（A）。 (A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B)瓦特，坎德拉，勒克司，流明 (C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光輻射下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于（ C ）。 (A)外光電效應(yīng) (B)光熱效應(yīng) (C)光電導(dǎo)效應(yīng) (D)光生伏特效應(yīng) 4學(xué)校課堂 二二 填空題填空題 1 描述光電探測器光電轉(zhuǎn)化能力的是 量子效率 。 2

3、 任何物質(zhì)，只要溫度高于絕對零度，都具有發(fā)射輻射的能力。 3 氦氖激光器以 直流 電源驅(qū)動。 4 發(fā)光二極管是 注入式電致發(fā)光器件 器件。 7 光伏器件有光伏工作模式和光導(dǎo)工作模式兩種工作模式。 5學(xué)校課堂 三三 簡答題簡答題 1、 摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？ 答：半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級 ，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去 ，要比電子直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少 量雜質(zhì)，卻會明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目， 從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。 6學(xué)校課堂 2、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理是什么？ 答：光電倍增管由光

4、入射窗、光電陰極，電子光學(xué)輸入系統(tǒng) (光電陰極到第一倍增極D1之間的系統(tǒng))、二次發(fā)射倍增系統(tǒng) 及陽極等構(gòu)成。 工作原理：光子透過入射窗入射到光電陰極K上。此時光電陰 極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。光電子通過 電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增 極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍 增后，光電子就放大N次。經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極a收 集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓。 7學(xué)校課堂 g E g E eVm 241. 3、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光原理？ 答：半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下 的N區(qū)有很多遷移率很高的電子

5、，P區(qū)有較多的遷移率較低 的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā) 生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時，溝區(qū)導(dǎo)帶中的 電子則可逃過PN結(jié)的勢壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近 稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時， 便產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射 ，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度 ，即 8學(xué)校課堂 4、簡述注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過程。 答：注入式半導(dǎo)體激光器的工作過程是，加外電源使PN結(jié)進(jìn)行正 偏置。正向電流達(dá)到一定程度時，PN結(jié)區(qū)即發(fā)生導(dǎo)帶對于價帶的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時，導(dǎo)帶中的電子會有一部分發(fā)生輻射躍遷，同 時產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的

6、光，是無方向性的。但其中總 會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導(dǎo)體之間 。通過這種光子的誘導(dǎo)，即可使導(dǎo)帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光 放大）。受激輻射出來的光子又會進(jìn)一步去誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的其它電 子產(chǎn)生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧 振腔兩端發(fā)射出激光。只要外電源不斷的向PN結(jié)注入電子，導(dǎo)帶 對于價帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就會繼續(xù)下去，受激輻射即可不停地發(fā)生 ，這就是注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過程。9學(xué)校課堂 9、簡述光電耦合器件的電流傳輸比與晶體管的電流放大倍數(shù) 的區(qū)別？ 答：晶體管的集電極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流，即大； 光電耦合器件的基區(qū)內(nèi)，從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的電子是與光激 發(fā)出

7、的空穴相復(fù)合而成為光復(fù)和電流，可用IF表示， 為光激 發(fā)效率（它是發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的光敏效率 及二者之間距離有關(guān)的系數(shù)）。一般光激發(fā)效率比較低，所以 IF大于IC。即光電耦合器件在不加復(fù)合放大三極管時， 小于1。 10學(xué)校課堂 1、在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個照度計探頭，已知探頭的光 敏面積為0.5 cm2，若照度計測得的最大照度為100(lx)，試求 1、 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強度為多少？ 2、鎢絲燈所發(fā)出總的光通量為多少？ 解：解：首先計算光電探頭對標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈所張的立體角 再計算光電探頭所接收的光通量 v=EvS=1000.5 cm2=5.010-3(lm) 因而可

8、以計算出燈在該方向上的發(fā)光強度Iv Iv=v/=5.010-3/1.2510-5=400(cd) )sr(1025. 1 2 105 . 0 5 2 4 2 r A 11學(xué)校課堂 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在整個球面空間各向同性發(fā)光，因此， 燈所發(fā)出的光通量為 )lm(5000 1025. 1 4 100 . 5 4 5 3 vv AE 12學(xué)校課堂 2 2、某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長為0.6328m的光束， 均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96， 設(shè)光速C= 3108m/s，普朗克常數(shù) h = 6.62610-34js ，氦氖激 光的視見函數(shù)V(6328) = 0

9、.268， 試求：（1）幕的光照度為多少lx？ （2）幕的反射出射度為多少lx？ （3）幕每秒鐘接收多少個光子？ 13學(xué)校課堂 解：解：先將氦氖激光器輸出單色輻射的輻射功率轉(zhuǎn)換為光通量v v=KmV()e=6830.268610-3=1.098(lm) 白色屏幕上的光照度應(yīng)為 Ev=v/S=1.098/0.810-4=1.37104 (lx) 幕的反射光照度為 Evr=r Ev=0.961.37104 =1.32104 (lx) 幕每秒鐘接收的光子為 16 834 36 ee 1091. 1 10310626. 6 106106328. 0 hc h N （個/秒） 14學(xué)校課堂 3 3 、在

10、如圖所示的恒流偏置電路中，已知Re=3.3k，UW=4V， Ubb=12V；光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為30lx時輸出電壓為6V，80 lx時為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的值不變） 光敏電阻 試求： 輸出電壓為8V時的照度為多少lx ？ 解：解：首先看穩(wěn)壓二極管是否工作在穩(wěn)壓狀態(tài)， 9.8(mA) 820 412 b wbb w R UU I 穩(wěn)壓二極管工作在穩(wěn)壓區(qū)； 再求流過恒流偏置的光敏電阻的電流Ip, Ip =Ie=(Uw Ube)/Re =1(mA) DW R Rp R U Ubb b e 0 15學(xué)校課堂 計算在不同照度下光敏電阻的阻值 光照度為30lx時, R1=(U

11、bbUo1)/ Ip=6( k); 光照度為80lx時, R2=(Ubb Uo2)/ Ip=3( k); 光照度為E3時, R3=(Ubb Uo3)/ Ip=4( k); 7 . 0 lglg lglg 12 21 EE RR 由于 且，光敏電阻在30到100lx之間的 值不變 lgE3=( lg3- lg4)/0.7+lg80=1.7246 E3=53（lx） 16學(xué)校課堂 4、在如圖所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型 穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為6V，設(shè)R b =1k， RC=510, 三極管的電流放大倍率不小于80，電源電 壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150

12、lx時 恒壓偏置電路的輸出電壓為10V,照度為450lx時輸出 電壓為8V, 試計算：輸出電壓為9V時的照度（設(shè) 光敏電阻在100500lx間的值不變）為 多少lx？ 照度到500lx時的輸出電壓為 多少？ DW R Rc R U Ubb b p 0 解解 分析電路可知，流過穩(wěn)壓二 極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工 作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在 6V。 17學(xué)校課堂 設(shè)光照度為150lx時的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值 R1，則 )mA(92. 3 510 101210 c bb 1 R U I DW R Rc R U Ubb b p 0 k4 . 1 92. 3 7 . 067 . 0

13、1 W 1 I U R 18學(xué)校課堂 同樣,照度為300lx時流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為 7.8(mA) 8 I c bb 2 R U R2=680 由于光敏電阻在500到100lx間的值不變，因此該光 敏電阻的值應(yīng)為 66. 0 lglg lglg 12 21 EE RR 19學(xué)校課堂 當(dāng)輸出電壓為9V時，設(shè)流過光敏電阻的電流為I3，阻值 為R3，則 (mA)88. 5 9 c bb 3 R U I R3=900 代入值的計算公式便可以計算出輸出電壓為9V時的 入射照度E3 66. 0 lglg lglg 23 32 EE RR 292. 2 0.66 lglg lglg 32 23

14、 RR EE E3=196(lx) 20學(xué)校課堂 由值的計算公式可以找到500lx時的阻值R4及 三極管的輸出電流I4為 R4=214 I4=24.7(mA) 而此時的輸出電壓UO為 UO=UbbI4R4=6.7(V) 即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓 為6.7V。 21學(xué)校課堂 光電子發(fā)射探測器 5、設(shè)入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm左右， 陽極電阻Ra=82k，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探 測器，已知它的倍增級數(shù)為8級，陰極為SbCs材料，倍增 極也為SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在 610-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試

15、設(shè)計該PMT 的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問 該PMT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？ 22學(xué)校課堂 解解 (1) 首先計算供電電源的電壓 根據(jù)題目對輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，陽極 電流應(yīng)不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A 入射光通量為0.610-6lm時的陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A 此時，PMT的增益G應(yīng)為 5 6 min 1002. 1 1024 439. 2 K a I I G 23學(xué)校課堂 由于 ，N=8，因此，每一級的增益=4.227，另外， SbC

16、s倍增極材料的增益與極間電壓UDD 有， ，可以計算出=4.227時的極間電 壓UDD 0.7 DD) (2 . 0U V78 2 . 0 7 . 0 DD U 總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V N G 5 6 min 1002. 1 1024 439. 2 K a I I G 24學(xué)校課堂 設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為 Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A 取IRi10 Iam，則 IRi=500A 因此，電阻鏈的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。

17、 (2) 計算偏置電路電阻鏈的阻值 25學(xué)校課堂 (3) 輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為 %056. 0%01. 087 . 07 . 0 bb bb U U n U U 26學(xué)校課堂 6 6、光電倍增管、光電倍增管GDB44FGDB44F的陰極光照靈敏度為的陰極光照靈敏度為0.5A/lm0.5A/lm， 陽極靈敏度為陽極靈敏度為50A/lm50A/lm，要求長期使用時陽極允許電流限，要求長期使用時陽極允許電流限 制在制在2A2A以內(nèi)。求（以內(nèi)。求（1 1）陰極面上允許的最大光通量。）陰極面上允許的最大光通量。 （2 2）當(dāng)陽極電阻為）當(dāng)陽極電阻為75K75K時，最大的輸出電壓。時，最大的輸出電壓

18、。 （3 3）若已知該光電倍增管為）若已知該光電倍增管為1212級的級的CsSbCsSb倍增極，其倍倍增極，其倍 增系數(shù)增系數(shù) , ,計算它的供電電壓。計算它的供電電壓。 （4 4）當(dāng)要求輸出信號的穩(wěn)定度為）當(dāng)要求輸出信號的穩(wěn)定度為1%1%時，求高壓電源電時，求高壓電源電 壓的穩(wěn)定度。壓的穩(wěn)定度。 7 . 0 2 . 0 DD U 27學(xué)校課堂 解解 (1)(1)陰極面上允許的最大光通量陰極面上允許的最大光通量 )lm(104 50 102 / 8 6 AamVm SI (2)(2)最大的輸出電壓最大的輸出電壓 VRIU Lao 15. 01075102 36 maxmax 28學(xué)校課堂 (3

19、)(3)供電電壓供電電壓 8 6 101 105 . 0 50 K A S S G CsSbCsSb倍增極材料的增益倍增極材料的增益與極間電壓與極間電壓U UDD DD有 有 0.7 DD )(2 . 0U V89 2 . 0 7 . 0 DD U N G N N=12=12，每一級的增益，每一級的增益=4.642=4.642 總電源電壓總電源電壓U Ucc cc為 為 Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V 29學(xué)校課堂 %1 DD DD o o U U Kn G G U U (4) (4) 輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為 %119. 0 127 . 0 1 %1

20、 DD DD U U 30學(xué)校課堂 光生伏特器件 7、已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42所示。當(dāng)入射光通所示。當(dāng)入射光通 量為正弦調(diào)制量量為正弦調(diào)制量v, =55 +40sin t lm時，今要得到時，今要得到5V的輸出電壓，的輸出電壓， 試設(shè)計該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析試設(shè)計該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析 輸入與輸出信號間的相位關(guān)系。輸入與輸出信號間的相位關(guān)系。 解 : 首先根據(jù)題目的 要求，找到入射光通量 的最大值與最小值 max=55+40=95 lm min=5540=15 lm 在特性曲線中畫出

21、光通 量的變化波形，補充必 要的特性曲線。 31學(xué)校課堂 再根據(jù)題目對輸出信號電壓的要求，確定光電三極管集電 極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電 壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即 Uce=2U14V 根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時輸出電壓應(yīng)最小，但不能 進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點”右側(cè)找一點“A”并做 垂線交橫軸于“C”點，從“C” 向右量14V，找“D”點。由“D” 做垂線交入射為最小的特性曲線與“B”。通過“A”、 “B”做直 線，此線即為負(fù)載線。由負(fù)載線可以得到負(fù)載電阻RL和電源電壓 Ubb。 顯然， “C”點電壓為3.7V ， “D”點電壓為17.7V 。電源

22、電 壓Ubb 近似為19V，取標(biāo)稱電壓20V。 電源電壓Ubb取標(biāo)稱電壓20V后可以適當(dāng)?shù)匦拚?fù)載線。 32學(xué)校課堂 8、在7-6圖所示的光電變換電路中，Ubb=12V，已知3DU2的電流靈 敏度SI=0.15mA/lx，RL=51k，三極管9014的電流放大倍率=120； （1）若要求該光電變換電路在照度變化 為200 lx的范圍時，輸出電壓變化不小于 2V，RC為1K，電阻RB應(yīng)怎么選擇？ （2）若RB=5.1M，當(dāng)背景光的照度為 100 lx時，電流I1為多少？輸出端的電位 為多少？ 解：根據(jù)題目所給的已知條件和電路圖，可以標(biāo)定出各電流的方向。 再由電路，可找到輸出電壓與入射光照度的關(guān)系，即 )( beBL L1 BC rRR RI II CCbbO RIUU 33學(xué)校課堂 輸出電壓變化量為UO= ICRC，即 式中I1= SEV， I1= S EV， )( beBL CLV O rRR RRES U 當(dāng)RC為1k時，由上式計算得RB5900 k既滿足題目要求。 （2）當(dāng)背景光的照度為100 lx時，電流I1為 I1= SEV=0.1510-3 100= 15(mA) )mA(35. 0 1 BL L C I RR R I U0= Ubb IC RC=12 0.35=11.65(v) 34學(xué)校課堂