光电子器件考试(DOC)

光电器件设计与制作

科目：光电器件设计与制造

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1、光电导摄像管是如何将一幅光图像变为电信号传递出去的？

答：可以把这个过程简单的分成三个步骤：

下面是我画的简易的一个光电摄像管：

步骤一：光学图形转化为电荷：

由透明导电膜和光电导层组成了摄像管的靶面，光电导层一般都是通过工艺比如沉积法沉淀在透明导电膜上的。电源的工作电压VT 加在靶光电导体和电子束扫描枪，右端接地，即使没有光照也会在靶光电导体上面产生偏置电压。由于是半导体，所以

电源 光电导层

透明导电膜 电子枪

R R C 图二 图一 VT

偏转线圈

我们将靶面看做是无数个单位小光电导体（也称像素单位）组成的如图二，当光照很强的时候，发生跃迁，导电的电子就会越多。传输到靶面的光学图形中各个地方的光照度是不相同的，所以不同部位参与导电的电子数目就不一样。这样就把图形转换成了电荷的分布。

步骤二：电荷储存

如图二，当R（小光电导）受到光照产生了步骤一里面的电荷，每个小的光电导体就会把自己产生的电荷储存在电容里面。步骤三：扫描提取

存储的电荷越多，其相应的像素点的电位就会越高。电子枪发射电子束对靶面进行扫描，电子束在靠近靶面的时候受到偏转线圈的作用，强烈的减速，最后很缓慢的降落在靶面上，由于电子束带负电，使得靶面的电位近似稳定在0V，这时相当于使得各个像素点里面存储的电荷依次接地，就会得到各个相应的像素电位的时序电信号。最后把电信号传出去就行了。

注：上面三个步骤是最基本的步骤，但是通常很多时候光电导摄像管会对电信号进行增强放大，放大的方式也有很多种，常常采用在电子枪上面加一个电子增益器，利用二次电子发射效应，将电流逐级倍增，这样就增加了我们所需要的信号的强度。

综上，就完全完成了把光图像变为电信号了。

2、简述混合式红外成像器件与单片式红外成像器件的异同点和

各自的优缺点。

答：由于自然界所有的物体都会辐射处红外线，所以红外成像器件指的是能把红外成的像转化成我们肉眼能识别的可见光的像的器件。红外成像器件个结构主要是包括两部分：红外光敏部分和信号处理部分。根据这两部分的不同，我们把红外成像器件分成了两类：1）混合式红外成像2）单片式红外成像

1.）单片式红外成像器件：将红外面阵探测器和CCD（信号处理）集成在同一片本征半导体的衬底上（这个半导体具有合适的光谱响应如PtSi）。可分为本征单片式成像，非本征硅单片式成像，肖特基势垒单片式成像。

优点：①做在同一个半导体上面使得其有很高的封装密度，较快的工作效率，并使总的设计得以简化。

②肖特基势垒单片式的响应均匀性好。

③造价很低。

缺点：①非本征硅单片式使用时需制冷，而且它的响应度均匀性都很差；

②本征单片式的转移效率低，响应均匀性差，存储容量较小。

③肖特基势垒单片式量子效率很低。

2.）混合式红外成像器件：将光敏元阵列和CCD（信号处理部分）做在两块不同的半导体材料上面。包括倒装式结构和z平面结构。

优点：①混合式就可以把高量子效率的红外探测器和工艺上成熟

的CCD结合在一起了，可以得到高性能的红外成像器件。

②由于信号处理是在焦平面阵列中进行的，所以减少了器件的引线数目，光学孔径和频谱带宽也得以减小。

缺点：

①在混合式里面，探测器和多路传输器的互连采用了铟凸点技术，由于冷焊铟柱需要一定的压力，所以会给探测器造成机械损伤。

②混合式的制造工艺用到实际生产上，成本很高。

③探测器与传输器之间材料的膨胀系数对应不好，会使得探测器阵列冷却时使得铟对接处的剪切材料变型。

④功耗比较大，芯片尺寸比较大。

二者的相同点：①二者都是红外焦阵列的平面结构。即探测器在透镜的焦点位置。

二者的不同点：①结构不同：混合式红外成像的红外光敏部分和信号处理部分做在两个半导体上面，而单片式红外成像的红外部分和信号处理部分在同一个半导体上面。

3、论述微光学元件在光电器件封装中所起的重要作用。

答：微光学器件，顾名思义就是很微小的光电子器件。微光学元件在我们的日常生活中处处可见，在很多仪器里面起着至关重要的作用。

①微光学元件的封装对其的重要性：

例如我们平时使用的手机透镜，在我们平时使用的手机里

面，安放了一个微小的透镜用来拍摄物体。由于我们平时随时随地都在使用手机，这就需要透镜在手机内部要十分的稳定，所以就要在手机里面对这个微小的光学器件进行封装。里面包括一个前座体，一个后座体，一个外壳和一个前盖，外壳前后贯通，凹透镜放在后座体上面，凸透镜放在前座体上面，该前座的前端内径增大形成一个凹槽，透镜安放在槽中，且槽中还有海有一个固定环来稳定透镜。外壳上开了一个透光孔，透光孔上放了玻璃，来隔绝外界的灰尘。手机透镜这样的封装稳定了透镜，同时提高了拍摄图像的质量，是非常重要的。

②用微光学元件作光电器件的封装，对其的重要性：

普遍的器件都需要封装，所谓封装就是用绝缘的塑料材料或者陶瓷对器件进行包装，起到保护器件电路，便于运输等诸多的作用。对于一些光电的器件来说，封装也是相当的重要，在LED 上面需要用到的封装透镜就是一个例子。把LED IC封装成LED 光电零组件时，需要用到封装透镜，这里的封装透镜就是一个微光学元件，一次封装透镜直接封装在LED上，有点胶，灌封，模压三种方式，透镜的材料可以用PC，光学玻璃，硅胶等。透镜封装在LED上面，用到的一些材料可以使得其导热性下降，从而使LED得到保护，同时封装也具有良好的透光性，不影响LED光的强度。这样的封装对LED这样的光电子器件来说是十分的重要的。

4、举例说明测试和评估光电器件可靠性的重要性。

答：光电器件的可靠性指的是器件在要求的时间内完成要求的功能。一般分为固有可靠性和使用可靠性。固有的可靠性由器件的设计，制备，封装等决定。为了保证光电器件的可靠性，我们就需要对器件的可靠性进行测试和评估。光电器件的测试一般包括检验规则，对其功能的测试和对其参数的测试。

1）测试老化对器件的可靠性的影响：老化试验包括温度老化试验和电老化试验。器件在使用的过程中会随着时间的延迟使得器件的有些部位会发生老化，产生一些不安全的隐患，我们可以通过改变温度和电来加速器件老化达到预测器件的寿命的目的，同时防止杜绝一些不安全的隐患。所以对器件的的老化性的实验就显得非常重要。举个例子：在潍坊，曾发生过霓虹灯老化严重从树上垂落变成“拦路虎”事件，没发生伤亡，但是这也能够说明器件的老化给我们生活带来的灾难，如果我们对器件有做过老化性的实验就能尽量避免，减少安全隐患。

2）测试环境因素对器件可靠性的影响：我们在各种各样的环境里面使用器件，环境的不同同样也会影响到器件的可靠性。我们可以采用模拟环境来测试个评估器件的可靠性。如果不测试，就会有一些不安全隐患存在，酿成悲剧。举个例子：上海一游乐园的过山车在夏日高温运行时出现故障，被卡停，事故原因调查发现是因为高温天气影响了过山车的传感器的可靠性，使其出现了故障。这个事故说明了我们对器件的环境因素的测试时十分重要的。

3）测试和评估对其的重要性:在生产出来以后，需要对产品的性能进行测试和评估来检测其性能，如果不进性测试和评估，就难以确定其的可靠性，会导致一些潜在危险。

5、论述光电集成器件的主要技术特点和未来发展趋势。

答：①光电集成器件在信息技术方面的特点包括光电子技术和微电子技术。

a，光电子技术主要研究光子和电子的主要特性以及在物质或者真空里面的运动和控制。光电子技术涵盖了光信号的产生，传输，处理，接收，也包括一些新型的材料，也应用到微加工方面，集成电路等的制作上，应用非常广泛。传统上我们把电子作为信息的载体，但是在它在速度，容量和空间兼容性上面有局限性，采用光子作为信息的载体完全可以解决这些问题，不仅响应速度很快，处理能力超强，而且还不受到磁场的串扰，延时短到可以忽略不计。

展望：基于这些优点，光电子技术在未来的发展空间很大，主要应用到信息技术的领域。可以利用光电子技术把全球甚至通过卫星把月球等星球用网络联系在一起。还可以利用光电子技术来完成神经网络计算机的制作，使得计算机能够像人一样的进行思考，具有处理事件的能力。

b，微电子技术是应用在集成电路里面的半导体器件上面的一种高新电子技术。具有很多的优点比如体积小，重量轻，可靠性高，运行速度很快等。微电子技术缩小了芯片里面器件的结构，增加

了芯片里面所包含的元件的个数。

展望：基于这些优点，微电子技术将会在未来被广泛应用到各个领域，各种各样的器件里面，比如探测器，航天用到的探测器就比较大，美国用到的好奇号火星探测器就足足有一个汽车那么大，这么大的体积在携带到太空中十分的不方便，如果用到微电子技术集成来减小其体积，则大大方便了其运输。

②具体说几个技术以及其的特点：

a，SIO光电子集成技术，这项技术是在在衬底和顶层硅中间引入了一层氧化膜，在绝缘体上形成了半导体的薄膜。它可以把集成电路中的元器件进行隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应。这项技术的特点是，采用这种SIO技术制得的材料用在集成电路里面，可以使集成电路集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小等优点。

展望：在未来，随着低功耗集成电路的增多，SIO光电子集成技术将会成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。b，PID光电子集成技术，是一个将多个光收发器及合分波器集成起来的单片WDM 系统。它将激光器、调制器、PIN 接收机以及光合波器、光分波器集成在一起，现在普遍用到的PID 器件多采用混合光电集成技术，即各种光子、电子元件分别制在不同衬底上，然后拼接在一起并封装为一体。

这项技术有很多的优点，比如减少了设备板件之间的连接，简化了电路，它把最复杂部分集成在一起，单根光纤连接即可完

成全部12 通道的连接，无需其他部件即可组建一个120G 的波分网络。大大的简化了系统配置、运行维护。

展望：如今随着网络的越来越发达，人们对网络的需求量就增加了，在未来城域网将会面临着很严峻的考验。基于PID技术的OTN网络具有其独特的优点，在未来将会成为网络建设中的一项主要技术，被广泛用来改善网络情况。

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