玉林师院光电子学期末复习

玉林师院光电子学期末复习 第一章 1.为了衡量光源和光电探测器的性能，需要对光辐射进行定量描述，故引入辐射度学与光度学。

2.光谱光视效率或视见函数:人眼对各种光波长的相对灵敏度.

3.人眼只能感知波长在0. 38—0.78 μm 之间的辐射，故称这个波段的光为可见光。（对绿光最灵敏，红光、蓝光次之）。

4.光通量v Φ ： 单位时间内通过某截面的所右光波长的光能称为光通量，单位为lm (流明)。

5.发光强度v I ：Ω

Φ=d d I v v ，单位为cd （坎德拉），1 cd=1 Im/sr 。发光强度Iv 是光度量中最基本的单位。

6.（简）卤钨循环的过程：卤钨灯点燃后，高温下卤族元素的化合物释放出溴或碘蒸气，灯丝蒸发出的钨分子在温度较低的泡壳附近与溴或碘化合，形成的卤化钨在灯泡内扩散。当扩散到高温灯丝附近，又分解，使钨分子又有很高的机率重新粘在灯丝上。

7.（简）气体放电原理：气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。

8.（选）

（1）．低压汞灯 ： 主要辐射253.7 nm 的紫外光，用作紫外光源。当在其管壳外再加一个管壳，壳内壁涂以合适的荧光粉时，253.7 nm 紫外光激发荧光粉发出可见光，这就是荧光灯。照明用的日光灯就是荧光灯中的一种。

（2）．高压汞灯：汞蒸气气压为(1~10) x105 Pa 。由于气体密度大，除了受激原子的辐射发光，还有电子与离子的复合发光，激发原子与正常原子的碰撞发光；因而，可见区的辐射明显加强，呈带状光谱，红外区出现弱的连续光谱。在高压汞灯外再加一个荧光壳，就成为高效照明光源。

（3）．球形超高压汞灯 ：汞蒸气气压为1 - 20 MPa ，电子与离子复合发光、激发原子与正常原子碰撞发光更加强烈。光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。球形超高压汞灯中，两电极相距在毫米量级，如图1.9所示。球形超高压汞

灯亮度高，是很好的点光源。

（4）．氙灯 ：氙灯的发光材料是惰性气体——氙。高压和超高压的惰性气体放电，气体原子被激发到很高的能级并大量电离。复合发光和电子减速发光大大加强，在可见区形成很强的连续光谱。光谱分布与日光最为接近，色温6 000 K ，亮度高，被称为“小太阳”，寿命可达1 000 h 。 氙灯可分为长弧氙灯（电极间距为15~130 cm ，细管形，工作气压为105Pa ）、短弧氙灯（电极间距在数毫米量级，工作气压为1~2 MPa ，是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。）和脉冲氙灯（管内气压在100 Pa 以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间（10-9~10-12 s ）内发出很强的光。脉冲氙灯广泛用于固体激光器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。）。

9.激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的。

10.激光器特点：高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性。

11.(重点)光和原子的三级跃迁：

（1）.受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量12E E hv -==ε）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。

受激吸收特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程

（2）.自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为12E E hv -==ε的光子

自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程

（3）.受激辐射：当受到外来的能量12E E hv -==ε的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。

受激辐射的特点：当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，

12.产生激光的条件：

1）合适的工作物质（能实现粒子数反转；具有合适的能级结构（亚稳态能级））

2）具有外界泵浦（外界激励）

3）需要激光谐振腔

4）起振条件——阈值条件G>G0

5）稳定振荡条件——增益饱和效应

13.染料激光器的主要优点是：输出激光波长可以在很宽范围内调谐；有极好的光束质量；激光谱线宽度很窄，可达10 -50 MHz 线宽。

14.（空）电子共有化运动：原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去。

15.（空）能带：共有化运动使得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异。它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带。

16.（选）

（1）N 型半导体:掺人施主杂质的半导体材料中，自由电子的浓度将高于空穴的浓度。

（2）P 型半导体:掺入受主杂质的半导体材料中，空穴的浓度将高于自由电子的浓度。

17.PN 结加上正向电压时，正向电压基本上加在结区，使势垒降低。

18. LED （发光二极管）与LD （半导体激光器）的根本区别在于：

LED 没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的荧光，是非相干光；而LD 的发光基于受激辐射，发出的是相干光——激光。

通常把噪声这个随机的时间函数进行付里叶频谱分析，得到噪声功率随频率的变化关系，即噪声功率谱。常见有两种典型情况：一种是功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声；另一种是功率谱与f 成反比，称1/ f噪声。

22.光探测器中的噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/ f噪声、温度噪声。

23.光电探测器噪声功率谱分布可用图表示。当频率很低时，1/f噪声起主导作用; 频率达到中间频率范围时，产生-复合噪声较显著; 当频率较高时，白噪声占主导地位.

24.(选)当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量Φ的关系I=F(Ф) 称为光电特性，光电流I与光电器件上光照度L的关系 I=F(L) 称为光照特性。光电特性或光照特性的线性度是一重要参数。线性度是指探测器的输出光电流与输入光的辐通量成比例的程度和范围。线性区的下限往往由暗电流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应或过载决定。

25.(选)光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。光电流I或输出电压U与入射光波长的关系()()λ

λ

U

I

F

U

F

I=

=,称为光谱特性。

26投射到探测器响应平面上光辐射通量所产生的信号电流I（或电压U）等于探测器无入射辐射时探测器本身的均方根噪声电流（或电压）时的光辐射通量，叫做探测器的最小可探测功率，也称为等效噪声功率NEP。即

2

2

,

n

n

u

U

NEP

i

I

NEP

Φ

=

Φ

=，式中2

2,

n

n

u

U

i

I称为信噪比。NEP越小，探测器能探测到的最小辐射通量就越低，性能就越好。为了与人们的习惯一致，通常用NEP的倒数，即

探测率D作为探测器探测能力的指标，单位为1/W。探测率D的表达式为:

2

1

n

I

i

I

S

NEP

D=

=D表明探测单位入射功率时的信噪比，其值越大越好。

27.对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿，通常用响应时间来衡量探测器的惰性。如果方波光信号频率过高，探测器的响应将严重失真。

28.热释电探测器是一种新型的光热探测器，它是基于热电晶体的热释电效应来探测辐射能的器件。

29.（简）光电导器件：利用半导体光电导效应制成的光电探测器。

30.（简）结型器件和光电导器件的主要区别：

1）产生光电变化的部位不同。光敏电阻那一部分受光，受光部分电阻就减小；而结型器件，只有照射到PN结或结区附近的光才能产生光电效应。

2）光敏电阻没有极性，工作时必须外加电压，而结型光电器件有确定的正负极，在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。

3）光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，张弛过程的时间较长，频率响应较差；结型器件的光电效应主要依赖于结区非平衡载流子中部分在录制的漂流运动，电场主要加在结区，张弛过程的时间相对较短，因此响应速度较快。

4）有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此，灵敏度较高，也可通过较大的电流。

31.第三象限是反偏压状态，这时，0I I d -=，是普通二极管的反向饱和电流，

现在被称为暗电流（对应于0=Φ），数值很小，光电流ΦI 是通过器件的主

要电流。反偏压下的工作方式被称为光电导模式，工作在这一区域的器件被

称为光敏二极管。

32.光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的结型光电器件。

33.PIN 光电二极管结构特点：在掺杂浓度很高的P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层较厚的高阻本 征半导体I 。

34.PIN 管的工作特点：PN 结内电场就基本上全集中于I 层，从而使PN 结的 间距拉大，结电容变小。又因工作在反偏，随反偏电压 增大，结电容变得更小，从而提高了PIN 管的频率响应.

35.APD （雪崩光电二极管）工作原理：在高的工作电压约100~200V(接 近于反向击穿电压)下，结区内电场极强(>10 5 V/cm)， 光生载流子在这种强电场中得到极大的加速，碰撞晶 格原子使其电离，更多的粒子在电场中再获能再碰撞 ，引发出PN 结内电流急剧倍增(内增益)，即雪崩反应使光电流放大。

36.光电三极管和普通晶体管类似，也有电流放大作 用。只是它的集电极电流不受基极控制，而是受光控制。工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。

37.光电三极管的工作有两个过程：一是光电转换，二是光电流放大。 以3DU 型为例: 光照射在集电结上，产生电子-空穴对。由于集电结反向偏置，光生电子漂移到集电极，空穴流向基区，这就是 光电流ФI 。光生电动势使基极与发射极间电压升高，于是发射极便有大量电子经基极流向集电极，使

光电流得以放大。放大原理与普通晶体管相同，ФI 被放大β（晶体管电流放大系数）倍。 由此可见，

光电三极管的光电转换部分 在集-基结内进行，而集电极、基极、发射极又构成一个有放大作用的晶体管 。因此，NPN 光电三极管可用图所示的简化模型表示，它由一个硅光电二极管 和普通晶体管组合而成。

38.控制电路 ：作光控继电器用的光电三极管工作在亮、暗两个状态，要求两个状态下转换的电信号差别大，使继电器灵敏而准确地工作。无基极引出线的硅光电三极管的突出特点是无光照时集电极电流基本为零。故多用作光控继电器.

（1）电流控制 ：光电三极管的光电流是晶体管的基极电流。在亮、暗情况下光电流显著改变，使晶体管分别处于饱和、截止状态，使J 动作。

（2）电压控制

光电三极管与R 1 分压，控 制晶体管基极电压，使晶 体管导通或截止。

39.光电耦合器是发光器件和光接收器件组合的一种器件。

40.（空）光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。

Ω=?==???===???=====3.5k 1027 从而继而继电器的电阻伏，

75-12 为这时继电器分配的电压5V 200102102 L S I

U 分配的电配的时吸合，此时光敏电阻200lx ）要使继要使继2Lx 2504

102102 S I L ，可得 UL S I 由光敏电光敏电阻的

伏4 10 × 2 × 10 × 4 -12 U 敏电电阻上分配的电）要使继要使继电器吸1解：

3-6-3

-g 6-3

-g g 3-3最大为电压为

U

3.15光敏电阻用作光控继电器。如图给出一个光控开关电路。光敏电阻为Cds 器件。晶体管的β值为，继电器K 的吸合电流为10mA,Ω=100e R 。考虑弱光照情况，计算继电器吸合许多大照度？（测得L=0 lx 时，Ω=M R G 100;L=100 lx 时，Ω=K R G 50,其中V U b 12=）

()lx 97 10.3×10 ×2.010 × 0.2 S 的照度等于L 从而使继而使继电器吸10.3V

10 × 10 × 100- 0.7- U U 光敏电敏电阻上的电压lx S 102.0100

101001-10501L G S S

。 UL S I 是线线性关系， L 与 I 光照，可知，本题知，本题情 由图0.2mA

β / I I 需提供光电提 R 吸合，K 要使6-3

-g 3-b 1663g g g K G =====??≈??=??====--U I 的定义由解：

3.17叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。为什么光电池的输出与所接的负载有关系？

（1）光电池工作原理

光电池是一个简单得PN 结。当光线照射PN 结时，PN 结将吸收入射光子。如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在PN 结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向P 区，电子移向N 区，使N 区聚集大量的电子而带上负电，在P 区聚集大量的空穴而带上正电。于是在P 区和N 区之间产生了电势，成为光生电动势。如果用导线或电阻把N 区和P 区连接起来，回路中就会有光电流I 流过，电流方向是由P 区流向N 区。

（2）开路电压、短路电流与光照度的关系

光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系，在照度光电池的短路电流与照度成线性关系

（3）光电池的输出与所接的负载有关系的原因：

当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必然使外加电场增大，由于外电场的方向是与内电场方向相反，故要削弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN 结，使对外输出的光电流减少。

3mA mA 100

506L L I I ,L L I I mV 53210050ln 26550 L L ln 26 U U mV L L ln 26 mV I I ln 26 U - U 从而可以推出 26mV q

kT 时，K 300 T 在 I I ln q kT ≈ U 关系，可以得到

I I 有开开电压的定义,12mW/cm 501,mA 6,550mW/cm 100),mm 5mm 5(2K 300T 3.1812sc1sc212sc1sc212oc1oc212Φ1Φ2oc1oc20Φoc 0Φo 22220112121=?=?===??? ??+=???

? ??+=???

? ??=???? ??===???

? ??>>==>>===?=Φ解：

多少？

问此时受光面的照度为测得输出电压照度时，

路中，测量某受光面的如图所示的零伏偏置电）当将此硅光电池接在（。

时的）同样温度下，辐照度（试求：

，考虑下测得在辐照度光敏面积为（室温）时，硅光电池在V U I U L I I I mV U L CR sc oc sc oc

3.21说明PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN 管的频率特性为什么比普通光电二极管好？

答：（1）PIN 管

工作原理：PIN 管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区展开，耗尽层宽度基本上是I 区的宽度，光照到I 层，激发光生电子空穴时，在内建电场和反向电场作用下，空穴向P 区移动，电子向N 区移动，形成光生电流，通过负载，在外电路形成电流。

特点：频带宽，线性输出范围宽。优点：1，工作电压比较低，一般为5V 。2，探测灵敏度比较高；3，内量子效率较高；4，响应速度快；5，可靠性高；6，PIN 管能低噪声工作。

（2）雪崩光电二极管

工作原理：当光电二极管的PN 结上加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在该强电场区产生和漂移的光生载流子获得充分的动能，电子空穴与晶格原子碰撞，将产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下，分别向相反的方向运动，在运动过程中，又可能与原子碰撞，再一次产生新的电子空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。

特性：灵敏度高，响应速度快；

（3）PIN 管的频率特性比普通光电二极管好的原因：

PIN 光电二极管在掺杂浓度很高的P 型半导体和N 型半导体间夹着一层比较厚的本征半导体I 。又由于工作在反偏状态，随着反偏电压增大，结电容变得更小，从而提高了PIN 光电二极管的频率响应。

0.5V 10 × 125 × 10 × 4 R × I U 化 变 压 电 出 输 而 从

，A 4 Φ × S I 化 变 流 电 光 则 ，W 10 化 变 量 通 光 果 如； 125k 10405 I U R 从而，

-5V U -U U A

40 ≈ I I I A

40 100 × 0.4 S Φ I IR -U 从而有， IR - U U 负载线方程为W 10R A 1.0I W /A 4.0S 2DU ,15U ,10U W 1002DU 22.336-L Φ6L b M d ΦΦL

L b L D 1b 1===?=?=?Ω=?--=??-===?+=?==?=?======Φ-μμμμμμμμμ电路图如下：

解：

增量值。

时，输出电压的并计算在辐射通量变化值为多少？画出电路图输出时的负载。求保证最大信号，暗电流的灵敏度电源电压，其拐点电压量。设最大辐射通量光电管探测缓变辐射通用V V M

第四章光电成像器件

1.光电成像器件：指能够输出图像信息的一类器件。

2.摄像管：能够输出视频信号的真空光电管。摄像管按光电变换形式进行分类，基本上分为两类：一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称为光电发射型摄像管。另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称为视像管。

3.摄像管的作用是把入射的光学图像转换为视频信号并输出，它应具有三个基本功能：光电变换、光电信号存储和扫描输出。

4.被摄物经物镜成像在光电靶上。光电靶既能完成光电变换又能存储信号。

5.任何一幅图像都可以分成许多小的像点，通常称之为像素或像元。

6.在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极接成通路。这个像素（光电二极管结构）的光电流由P →N ，流过负载RL ，产生负极性图像电压信号输出（信号阅读），同时扫描电子束使P 层扫描面的电位降至阴极电位（图像信号擦除）。这样，电子束在从左至右、由上而下地对正电位图像的顺序扫描中，就把随空间、时间而变化的图像信息转换成随时间变化的电信号，这就是视频信号。

7.ＣＣＤ：电荷耦合器件（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）

8.ＣＣＤ的突出特点：以电荷作为信号。

9.ＣＣＤ的基本功能是信号电荷的产生．存储．传输和检测。

10.在ＣＣＤ器件的中间是一个光敏元组成的线阵。每个光敏元是一个光敏二极管，接收光信号，作光电转换，是线阵ＣＣＤ的一个像素。光敏元的两侧是用作存储光生电荷的ＭＯＳ电容阵列。

11.ＭＯＳ的基本结构：在Ｐ型（或Ｎ型）硅单晶ＭＯＳ的基本结构：在Ｐ型（或Ｎ型）硅单晶的衬底上生长一层很薄的2SiO ，再在2SiO 上淀积具有一定形状的金属铝（或多晶硅）电极。一般2SiO 层厚度约为０．１～０．２μｍ，铝电极之间的间隙约为２．５μｍ，

每个电极与其下面的2SiO 层和Si 单晶构成ＭＯＳ结构。

12.ＭＯＳ的存储功能工作原理：在Ｐ型硅电极上加正偏压（在Ｎ型硅衬底的加负偏压）。电场穿过2SiO 薄层，排次Ｐ型硅中的多数载流子－－空穴，在2SiO 下形成耗尽区（无载流子的本征区）。当电极上电压增加，达到阀值电平以上时，耗尽区进一步向体内延伸，并将Ｐ型半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，产生反型层。由于半导体表面电势为正，所以，耗尽区对少数载流子（电子）来说像一个“阱”，称为势阱，能起到收集电子的作用：所加偏压越大，势阱就越深，储存电子的能力就越大。

13.ＣＭＯＳ技术可以将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等全部集成在一起，实现单芯片成像系统。

14.ＣＭＯＳ图像传感器有两种基本类型，即无源像数传感器（PPS）和有源像数传感器（APS）。

15.图像增强器是能够把亮度很低的光学图像变为亮度足够的图像的真空光电管。由于他常常与变像管（指能够把不可见光图像的真空光电管）一起使用，而且在结构上二者也很相似，所以统称它们为像管。

16.像管通常有三个基本组成部分，即光电阴极、电子光学系统、荧光屏。光电阴极使亮度很低的光学图像或不可见光学图像转换成光电子图像，在超高真空管内，这些光电子从外部高压电源获取能量，并经电子光学透镜聚焦，高速轰击荧光屏，从而产生人眼可见的相应光学图像。

17.第二代像增强器是用微通道板（Microchannel plates，MCP）实现单级高增益图像增强。

18.（空）第三代图像增强器是第二代像增强器的微通道板结构配以负电子亲和势光电阴极。

第五章光存储器概述

1.根据性能和用途，光盘存储器大致可分为三种类型：只读型、可录型、可擦重写型。

2.相变可擦重写型光盘工作原理：采用多元半导体元素配制成的结构相变材料作为记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时，激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求。

第六章：平板显示器

1.（选）

（1）TN-LCD（扭曲向列型液晶器件）属于低端器件，主要用于仪表的字符、图形显示。

（2）STN-LCD（超扭曲向列型液晶显示）可以满足笔记本电脑的大容量信息显示要求，一般有64个灰度级。由于扭曲角大，所以电光响应时间大于100ms.目前主要用于手机等中小容量字符显示领域。（3）AM-LCD（有源矩阵液晶显示器件），其中TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）主要用于液晶彩电、笔记本电脑计算机显示器、图像监视器等。