第一章作业(1)

第一章作业(1)

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1. 光发射、传播和接收过程中有几种度量体系各度量体系适用于什么情况如何相互转换

两种度量体系，分别为：

（1） 辐射度量体系：与物理学中对电磁辐射量度的规定完全一致，适用于整

个电磁波谱。

（2） 光度量体系：以人的视觉特性为基础，只适用于可见光波段。 转

2. 半导体的特性有哪些？

（1） 负电阻温度系数；

（2） 导电特性受掺杂影响显著；

（3） 导电能力受外场（热、光、电、磁场）影响显著。

为什么掺杂对半导体导电特性影响显著？

本征半导体的导电能力很低,因为只含有很少的热运动产生的载流子。掺杂以后能极大的增加载流子的数目,所以掺杂质的半导体导电能力好。 。

3. 产生本征吸收的条件是什么？

入射光的能量至少要等于半导体的禁带宽度Eg ，这样才能使价带Ev 上的电子吸收足够的能量跃迁到导带低能级Ec 上，即g h E ν≥。

4. 什么叫异质结什么叫肖特基势垒

5.

异质结就是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p 结或N-n 结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。

肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。

6.LED的发光颜色与哪些因素有关？

半导体发光二极管禁带越宽即Eg越大，释放能量越大，发光波长越短。发光颜色与掺杂有关。通过改变材料的能级结构，就可以改变LED的发光颜色。一般的发光亮度都与电流密度成正比。

补充：黑体辐射、朗伯辐射体

随着黑体温度增加，黑体辐出度峰值波长向短波方向移动，在给定温度T时，其总辐出度与绝对温度的4次方成正比，所以实现红外隐身的第一要素就是降低武器平台的温度。

符合辐射强度余弦定律的发光体称为朗伯辐射体，其辐射出射度M等于它的辐射亮度与π的乘积。

1.简述雪崩光电二极管的工作原理。

当雪崩型光电二极管的PN结加上相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在该强场区漂移的光生载流子获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞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，又可能与原子晶格碰撞，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。该过程就是雪崩光电二极管的工作原理。

2.为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应？

3.结型光电器件的光电效应是基于在内建电场的作用下，载流子的漂移运动，

正向偏置会减小内建电场的大小，不利于载流子的漂移运动。零偏可以保证内建电场大小PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？

4.

PIN管的结构特点：在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹杂着一层较厚的高阻本征半导体I，这样PN结的内电场就基本全集中于I层，从而使PN结的结间距离拉大，结电容变小，因此电路的时间常数较小。由于工

作在反偏状态，随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。

4-2. 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。

从器件的光-电的响应过程来分析。

光电导探测器的工作机理：将光照时产生的光生载流子直接输出形成电信号。以线性光电导探测器为例，它的响应时间决定于器件载流子寿命，一般光电导材料载流子寿命为毫秒-秒量级。

光伏探测器的工作机理：光照时产生的光生电子-空穴向结区扩散，依靠结区的内建电场的作用分离光生电子-空穴，并在PN结的两则出现光生电动势。因此，光伏探测器的光-电响应时间包括扩散时间、漂移时间，其中扩散时间指光生电子-空穴对扩散到结区的时间，一般光敏面很薄，使得扩散时间远小于载流子寿命（约为10-9s量级）；漂移时间指光生电子-空穴在电场作用下通过结区的时间（约为10-11s量级）。

不变，反偏可以增强内建电场，这两种情况下才5-2 光电发射和二次电子发射有哪些不同？简述光电倍增管的工作原理。

光电发射是材料吸收光子后，由于光子能量大于电子的逸出功而使电子逸出材料体外，作用是实现光电转换。

二次电子发射是具有足够大动能的电子轰击到某些材料时，材料表面发射出新的电子，其作用是实现电子流的放大。

光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。

当光照射到光电阴极上，光电阴极激发出的光电子在电场的加速作用下，打到第一倍增极（二次发射极）上，由于光电子能量很大，在倍增极上激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又打到第二倍增极处，又引起二次电子发射，直到阳极收集为止。若一次电子倍增数增加倍，如果n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的n倍。为二次电子发射系数，即一个入射电子所产生的二次电子的平均数。

对于PMT，灵敏度最高的阴极材料是负电子亲和势材料。

其中R1=R2=R3=……=R12为分压电阻；R L为负载电阻；C0为隔直电容；K为光电阴极；A为阳极；C3、C2、C1为并联旁路电容；D1、D2、……D11为电子倍增极。

5-5 光电倍增管采用负高压供电或正高压供电，各有什么优缺点它们分别适用哪些场合

负高压供电（阳极接地）：便于与后面的放大器相连，操作安全；但这时阴极处于负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声较大。适用于对暗电流和噪声要求不苛刻的工作场合。

正高压供电（阴极接地）：便于屏蔽，屏蔽罩可以和阴极靠得很近，屏蔽效果好；暗电流小噪声低；但阳极处于正高压，导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面接直流放大器时整个放大器处于高压，不利于安全操作；如果接一个交流放大器，则必须接一个耐高压的隔直电容器。

脉冲应用中常采用阴极接地，以减小暗电流和噪声。

5

1.有明显的光电效应产生简述CCD的工作原理。

CCD的像元是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。CCD就是在非稳定状态下工作的MOS电容器的集成，是靠在时钟脉冲作用下不断改变各个MOS电容器的栅极电压，以电荷耦合方式实现电荷传输的。

基本功能：电荷注入、电荷存储、电荷转移、电荷输出

工作过程：1）CCD的MOS光敏元将光信息转化成电荷。

2）光敏单元中的电荷转移至移位寄存区。

3）电荷耦合——移位寄存器（移位寄存也是MOS结构）

a 用偏压高低来调节势阱的深浅，信号流向：浅→深

b 必须按确定的方向，驱动脉冲必须严格满足相位时序的要求。

4）信号电荷包在外加驱动脉冲作用下,在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出极输出。

2.CMOS图像传感器与CCD摄像器件有哪些主要的区别？

3.

CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

由于CCD图像传感器和CMOS在物理结构上的差异，它们的特性存在较大的差别：

（1）最大的不同是“随机访问（开窗）”能力。CMOS图像传感器采用X-Y寻址方式，具有读出任意局部画面的开窗能力，而CCD采用按序读出信号的结构，其开窗能力有限。

（2）CCD的灵敏度比COMS图像传感器高，具有在可见光及近红外波段的完全响应能力，CCD的噪声可以控制在极低的水平，CCD的信号读出速率较低；而CMOS图像传感器像元对红外及近红外光响应困难，CMOS器件的噪声相对较大，CMOS传感器信号读出速率快；CCD的动态范围比CMOS高2倍，CMOS像元区功耗明显低于CCD像元。

总而言之，CCD具有低噪声、高分辨率、高灵敏度等特点；CMOS图像传感器有高集成度、高速、小体积、低功耗等特点。

1.什么是光学调制它在光电系统中起那些作用

2.

光学调制是指光电系统中改变光波的振幅，频率，相位，偏振，和传播方向等参数的过程。

光学调制是光电系统中一种重要的信号变换和处理方法，它不仅可以用来加载信息，而且可以改善系统的工作品质。在光电系统中，调制不仅可以使光波携带信息从而具有与背景不同的特征以便抑制背景光的干扰，而且可以使抑制系统中各个环节的固有噪声和外部电磁场的干扰，使系统具有更高的探测能力和稳定性。

3.调制的基本方法有哪些各有什么特点各适用于对哪些光源进行调制

调制的基本方法包括：

（1）辐射源调制：具有直接调制能力，体积小、集成度小、重量轻、适用于某些特定光源。

（2）机电调制：使用简单，体积大、集成度大、噪声大、调制频率不高，