光电信息技术 第一章答案 有部分错误

《光电技术》习题第一章

第一部分:

1．已知表示光电导体的灵敏度的G（光电增益）= βτ/ t L，式中β为量子产额；τ为光生载流子寿命；t L为载流子在光电导两极间的渡越时间，如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，请推导：G = β(τnμn +τpμp )U/l2

式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命；μn和μp分别为自由电子和空穴的迁移率。

答：G=βτ/t L

t L=l/μE=l2/μU

G=βτμU/l2

G = β(τnμn +τpμp )U/l2

2．简答P型与N型半导体杂质能级区别.

答：N型半导体掺有5价的杂质原子，如磷、砷。杂质引进的额外的电子占有恰在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特。这些额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。

P型半导体掺有3价的杂质原子，如硼、铝。杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。

3．比较直线性光电导与抛物线性光电导的主要特性。

t=τ时，光电流上升

!未定义书签。)1/2来表示弛豫时间。光

tanh 1=0.75。而光照停止后，光电导在

（2）起节省滤光片的作用

5．简述光生伏特效应与热释电效应的原因及其应用。

答：光生伏特效应：由光照引起电动势的现象。包括两种类型: (1)发生在均匀半导体材料内部；(2)发生在半导体的界面。pn结的空间电荷区的电场，称为自建电场。光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下的运动，是形成光生伏特效应的原因。光生伏特效应的应用: (1)太阳能电池；(2)光电探测器件。

热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷

中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释

电效应。热释电效应的应用：红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱反接收器等。

6．观察图1.1.3-4，指出本征光电导与杂质光电导的长波限位置。

答：金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是P型半导体，从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是P型，长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从P型转变为N型，从曲线中可看到长波限相应于0.2eV。这与用其他方法测出的金锗中形成多重能级的电离能是一致的。

7. 设在半径为R c的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为I e的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

答：I e=

dΦe

dΩ

, dΩ=

πR c2

l02，d Φe=I e

πR c2

l02

*8. 如图所示，设小面源的面积为?As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为θs；被照面的面积为?Ac，到面源?As的距离为l0。若θc为辐射在被照面?Ac的入射角，试计算小面源在?Ac上产生的辐射照度。（选做题,参见讲稿§1.2.1光的有关概念与度量）l0

S

R c

第1题图

L e

?A s

?A c

l0

θs

θc

第2题图

用定义r r e e A dI L θ?cos =

和A

E e

e d d Φ=求解。

*9. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出 （选做题, 参见讲稿§1.2.1 光的有关概念与度量）

常数=T m λ。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898?10-3m ?K 。 它的主要作用是 显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比 。 5．阶梯透镜是有“阶梯”形不连续表面的透镜；“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，故又称环带透镜。优点： 厚度小 ，重量轻，光吸收损失小。

6．设球面曲率半径为R ，则球面镜的焦距为 R/2 ，这一数值与光的波长无关，也就是说球面镜不产生 色差 。

7．光锥为一种非成像的聚光元件，可增加光照度或 减小探测面积 的作用。

8．光楔常用作 光学测微器补偿器 ，利用光楔的移动或转动来测量或补偿微小的角量或线量。

9．干涉滤光片主要功能是 分割光谱带 ,常见的有:截止滤光片和带通滤光片 。

10．光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。

11．分别简答下列三个图调制方法（光强度调制）

答：（1）利用电磁感应的机械调制：将永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯另一端上固定挡片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。

（2）调制盘：在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。旋转时，通过盘的光脉冲周期性地变化。光脉冲的形状:决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。

（3）受抑全反射调制器：入射光在固定棱镜斜面处满足全反射条件。在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解为两束相互垂直的调制光。

12．光波在传播时被超声波衍射的现象叫做声光效应。

13．利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为I=I0cos2α，式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。

14．克尔效应:指的是某些各向同性的介质在电场作用下变成各向异性，光束通过将会产生___双折射___现象。

15.实验表明,克尔效应的两束偏振光的折射率之差n e-n0与电场强度E 成正比，而泡克耳效应的两束偏振光的折射率之差n e-n0与所加所加电场E 成正比。

16．何为磁光效应？目前在磁光效应方面，主要是哪两种效应来获得光偏振调制？“法拉第”旋光效应偏振光在磁场内偏振面旋转的角度表达式如何？

答：磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。

主要利用“法拉第”旋光效应和科登-穆顿效应来获得光偏振调制。

“法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。

在磁场内偏振面的旋转角度α=VBL

交变磁场B=B0sinωt

调制光强I=I0cos(φ-BVLsinωt)

17．光的频率调制，主要是指光学___多普勒___频移

18．波长调制有哪几种（至少举三种）？下图为利用热色物质颜色变化的波长调制来检测液体温度的示意图，说明其检测原理。

答：（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制

检测原理：白光进入热变色溶液，其反射光经650nm 和800nm 的滤光片，由探测器接收。上图所示的热变色溶液,温度为20o C 时，在500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；升到75o C 时，在650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为650 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800 nm 时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。 （2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制 （3）利用黑体辐射进行波长调制 （4）利用滤光器参数的变化进行波长调制

19. 放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成 A u =A u (jω)= │A u (jω)│e jφ(ω) . 式中f 是频率，ω是角频率，│A u (j ω)│表示放大器的放大量与频率的关系，称为 幅-频特性 ，φ(ω)表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系,称为 相-频特性 ，它们合称为放大器的频率特性,也称为频率响应。

21.利用理想运算放大器的近似条件写出下列各图的u0的值

图a

图b

u i

－

+

+ uo

R

R2

C

＋

u I

R’

u O

A －

R Rf C

答：图a ：u 0= - (R f R 1 u 1+R f R 2 u 2+…+R f

R n u n )

图b ：u 0= - RC du i

dt

图c ： 图d ：u 01=(1+ R f1R w )U 1 + R f1R w U 2=U 1-(U 2-U 1) R f1

R w

u 02=(1+R f2R w ) U 2 - R f2R w U 1= U 2+( U 2 –U 1) R f2

R w

i

U ?

01

(0)o i u u dt u RC

=-

+?

23. 写出下图的传递函数

答：

A F =1+R F /R 1

1/p o i P

U U R R j C

ω??

-=+

1

11P P j C

U U j RC j C

ωωω??=

?=?++

221()F

i

o o U j ωωα

ωω?

?

=

-+

24下图所示为开关电容滤波器,画出其等效电路并写出其传递函数

答： 等效电路：

∞

R

R1

R F

C

+ -

+ i

U ?

o

U ?

C

R

1

1(3)2F o A RC

αω=-=

25下图为迟滞比较器电路，请写出其迟滞宽度 (上门限电压

U IH 和下门限电压U IL 之差) ΔU 表达式.

答：U REF 为参考电压；输出电压 u O 为 +U Z 或 -U Z ；u I 为输入电压。 当 u + = u - 时，输出电压的状态发生跳变。

F 2

REF O 2F 2F

R R u U u R R R R +=

+++

若u O = +U Z ，当u I 逐渐增大时，使u O 由+U Z 跳变为-U Z 所需的门限电平U T+

F 2

T REF Z 2F 2F

R R U U U R R R R +=

+++

若u O = -U Z ，当u I 逐渐减小时，使u O 由-U Z 跳变为+U Z 所需的门限电平U T-

F 2

T REF Z 2F 2F

R R U U U R R R R -=

-++

回差(门限宽度)?U T ：2

T T T Z 2F

2R U U U U R R +-=-=

+?

28.下图为采样保持电路的原理图。请简要分析其工作原理

答：采样控制信号u 为一矩形波，使运放工作在采样和保持两种状态。在采样周期中，场效应管VF 导通，电容C 迅速充电到u i 的数值；当采样信号结束处于保持周期时，VF 截止，电容C 无放电通路，故保持采样结束时的电压值，直至下一采样周期的到来。由于运算放大器接成同相跟随器，输出电压与电容电压相同，即u O =u C ，输入u i 和输出u O 的波形如下

图所示。

枯藤老树昏鸦，小桥流水人家，古道西风瘦马。夕阳西下，断肠人在天涯。