光电技术(A卷)试卷

图1

武汉理工大学考试试题纸（A 卷）

课程名称光电技术

一、 名词解释(每小题3分，总共15分)

1.坎德拉(Candela,cd)

2.外光电效应

3.量子效率

4. 象增强管

5. 本征光电导效应 二、 填空题(每小题3分，总共15分)

1. 光电信息变换的基本形式 、 、 、

、 、 。 2.光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由 、 、 、 和 组成。

3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P 型和N 型半导体组合而成。其发光机理可以分为

和 。

4. 产生激光的三个必要条件是 。

5. 已知本征硅的禁带宽度为g E ，要使该材料有光电子产生，其入射光波的最大波长为 。 三、如图1所示的电路中，已知R b =820Ω,R e =3.3K Ω,U W =4V ，光敏电阻为R p ,当光照度为压为6V ，80lx 是为9V 。设光敏电阻在30~100之间的γ值不变。 试求：(1) 输出电压为8V 时的照度；

（2）若e R 增加到6 K Ω，输出电压仍然为8V ，求此时的照度； (3) 输出电压为8V 时的电压灵敏度。

四、 如果硅光电池的负载为R L 。(10分)

(1)、画出其等效电路图；

(2)、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流； (3)、标出等效电路图中电流方向。 五、 简述PIN 光电二极管的工作原理。为什么PIN 管比普通光电二极管好？ (10分)

六、

1200V 负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，若倍增管的阴极灵敏度S K 为20uA/lm ，阴极入射光的

照度为0.1Lx ，阴极有效面积为2cm 2

，各倍增极二次发射系数均相等(4=δ)，光电子的收集率为98.00=ε，

各倍增极的电子收集率为95.0=ε

。(提示增益可以表示为N G )(0εδε=) (15分)

(1) 计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。

(2)设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV，求放大器的有关参数，并画出原理图。

七、简述CCD的两种基本类型，画出用线阵CCD测量微小物体(小于100微米)原理简图，并分析测量原理。

(15分)

八、一InGaAs APD 管在倍增因子M=1，入射波长为1550nm时的量子效率 ＝60％，加偏置电压工作时的倍增因

子M=12。(10分)

1. 如果入射功率为20nW，APD管的光电流为多少？

2. 倍增因子为12时，APD管的光谱响应度为多少？

光电技术 A 卷参考答案

一、 名词解释

1. 坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540×10Hz 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr -1时，在

该方向上的发光强度为1cd 。

2. 外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv 足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电

子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。

3. 量子效率：一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值。

4. 象增强管：把微弱的辐射图像增强到可使人直接观察的真空光电成像器件。

5. 本征光电导效应：本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由

电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。

二、 填空题

1. 信息载荷于光源的方式 信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、

信息载荷于光学量化器的方式和光通信方式的信息变换。

2. 光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。

3. PN 结注入发光，异质结注入发光。

4. W mv h +=2

2

1ν 5.

g

E hc ≤

λ

三、

根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流

mA R U U I b w bb w 8.9820

8

≈=-=

满足稳压管的工作条件

(1) 当=w U 4V 时，mA R U U I e be w e 110

*3.37

.043

=-=-=

由

e

bb p I U U R 0

-=

得输出电压为6伏时电阻=1

R 6K Ω，

输出电压为9伏时电阻=2

R 3K Ω，故12

21

lg lg lg lg R R r E E -=

-=1；

输出电压为8V 时，光敏电阻的阻值为e

bb p

I U U R 0

-=

=4K Ω，带入12

21

lg lg lg lg R R r E E -=

-，解得E=60lx

（2）与上面（1）中类似，求出照度E=34lx (3) 电路的电压灵敏度)/(1.040

606

8lx v E U S v =--=??=

四、

(1) 光电池的等效电路图

(2) 流过负载电阻的电流方程)1(/0--=-=kT qV p D p L

e I I I I I

短路电流的表达式E S I I E p sc

?== 开路电压的表达式)1ln(0

+=

I I q kT V p

oc

(3) 电流方向如图所示

五、当光照射p －n 结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n 区边界积累光电子，p 区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。其基本结构就是一个p-n 结， 属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件

hv>E g ,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少

数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。对于PIN 管，由于I 层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I 层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I 层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗尽层较无I 层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。 六（1）放大倍数G=ε0(εσ)n

=0.98*(0.95*4)11

=2.34*106

G ＝

K

P

I I

I P ＝GI K S K ＝

Φ

K I

I K ＝S K φ＝20uA/1m*(0.1*2*10-4

)=4*10-4

uA I P =GI K =9.35*102

uA

等效微变电路

i p

R s

R L

(2)

V 0=R f I P

R f

===-p

p I I V 3010*200 2.14*102

Ω

七、CCD 有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟

道电荷耦合器件（SCCD ）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这

类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD ）。

原理： 当满足远场条件L ﹥﹥d 2

/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到 d=K λ/Sin θ (1)

当θ很小时（即L 足够大时）Sin θ≈tg θ= X k /L 代入（1）式得 d=

K X L K λ=K X L

K /λ=S

L λ …………..(2) S ——暗纹周期，S=X K /K 是相等的，则测细丝直径d 转化为用CCD 测S 测量简图

八、

PMT1

I P

R f

C f

V

- +

(1) Solution The responsivity at M=1 in terms of the quantum efficiency is

(2) If I

pho is the primary photocurrent and φ0 is the incident optical power then by definition 0

φpho

I S =

so that

A

MI I pho ph 71080.1-?==