光电探测技术与应用第3章课后习题与答案
第三章 光电信号的采集
(2)匹配偏置电路 匹配偏置指的是偏置电阻RB等于探测器内阻Rd 。
图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏 感，偏置电路中的RB通常不采用一个固定电阻，而是用一个与所 用探测器相同规格的光敏电阻代替，使RB与Rd随温度产生相同的 变化，以减小由于环境温度变化对输出信号的影响，从而保持输 出端A点电位的稳定。
(2) 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一 个动态模拟信号，在模/数转换器接通的孔径时 间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引 起输出的不确定误差。 可见，孔径误差与信号的最高频率f和系统的 孔径时间有关
。
假设输入信号为一频率为ƒ的正弦信号V=Vmsin2 π ƒt，如图所示。
它基本上是一个电流-电压变换器，在环路增益很大的情况 下，输出电压与与输入电流之间的关系为： Vo = -ZFIi； 式中，ZF是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。
2. 低噪声放大 第一级低噪声前置放大器多采用分立元件，因为集成运算放大 器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计 前置放大器的重要环节，通常根据光电探测器的阻抗来选择合适 的晶体管。对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大 元件的重要依据。如果源电阻RS在1kΩ~1M Ω之间，选用运算放 大器； RS在1MΩ~1G Ω之间，多采用结型场效应管(JFET)；当RS 超过1G Ω，可采用MOSFEF。 要得到低噪声前置放大器，必须选用噪声系数小的晶体管，同 时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等，以得 到最小的噪声系数。但在实际使用中，这二者不会刚好相等，可 以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。 此外，还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器 和前置放大器的影响。
光电探测技术与应用第4章课后习题与答案
国防工业出版社
第4章 半导体结型光电器件
1 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。
答：硅光电二极管的全电流方程为
I
q
hc
(1 e
d
) e , I D (e
qU kT
1)
式中， 为光电材料的光电转换效率， 为材料对光的吸收系数。 光电流为
U o I sc 2 R f I sc 2
Uo 1 0.0416mA Rf 24
则，E
e2
I sc 2 0.0416 Ee 100 0.69mW / cm 2 I sc 6
6 已知 2CR44 型硅光电池的光敏面积为 10mm 10mm，在室温为 300K、辐照 度为 100 mW / cm 2 时的开路电压 U oc 550mV ，短路电流 I sc 28mA 。试求：辐 照度为 200 mW / cm 2 时的开路电压 U oc 、短路电流 I sc 、获得最大功率的最佳负载 电阻 RL 、最大输出功率 Pm 和转换效率 m
解： （1）由题意，在温度为 300K 条件下，当辐照度 E e 为 100mW / cm 2 时， 开路电压 U oc 550mW ，短路电流 I sc 6mA ，则由
U oc
I q kT (1 e d ) e, 得，在室温情况下，辐照度为 ln( 1) 及 I sc I h q ID
KT I 1 3 0.026 ln ln 0.018V 18mV q I 6
所以 U oc1 U oc 18 550 18 532mV （2）由于运放的开环增益 A 10 5 ，故可将电路视为零伏偏置电路，则
光电检测技术复习三(光生伏特器件)
问题四 半导体光电器件的特性参数与选择 1 半导体光电器件的特性参数 半导体光电器件主要包括光电导器件与光生伏特器件等两大类， 要根据具体情况选择不 同特性参数的器件。 光谱响应（nm） 光电器件 短 波 长 400 300 750 400 峰值 640 长 波 长 900 122 0 灵敏 度 (A/W ) 1A/l m 0.30.6 0.30.8 0.30.6 输出电 流(mA) 光电 响应 特性 非线 性 动态特性 频率 响应 (MHz) 0.001 上升时 间 (μ s) 200-10 00 ≤0.1 ≤100 ≤ 0.002 ≤0.1 电源 及偏 置 交、 直流 三种 偏置 暗电 流与 噪声
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
第三章 光生伏特器件 问题一 硅光生伏特器件 硅光生伏特器件具有制造工艺简单、 成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特 器件。 问题二 硅光电二极管 硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN 结硅光电二极管为 最基本的光生伏特器件。 1 工作原理—基于 PN 结的光伏特效应 2 基本结构 1) 光电二极管可分为以 P 型硅为衬底的 2DU 型 与以 N 型硅为衬底的 2CU 型两种结构形式。 如图 3-1（a）所示的为 2DU 型光电二极管的 原理结构图。 2) 图 3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其 中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二 极管中规定的正方向） ，光电流的方向与之相 反。图中的前极为光照面，后极为背光面。 3 电流方程—普通二极管的电流方程 qU （反向偏置时） 且 |U|>> kT/q 时(室温下 kT/q≈0.26mV， ID 为 U 为负值 I ID e kT 1 很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。
光电检测技术与应用_郭培源_课后答案
光电检测技术与应用_郭培源_课后答案光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明你说道晓得的检测系统的工作原理。
（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…（2）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器――数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵ccd医疗卫生――数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器办公商务――扫描仪：文档读取---线阵ccd红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管（3）光电检测技术在军事上的应用：夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标光电检测技术应用实例简介点钞机（1）激光检测―激光光源的应用领域用一定波长的红外激光反射第五版人民币上的荧光字，可以并使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
由于仿造困难，故用作古文学很精确。
（2）红外反射检测―红外信号的检测红外反射的工作原理就是利用人民币的纸张比较厚实、密度较低以及用凹陷印技术印刷的油墨厚度较低，因而对红外信号的吸收能力较强去分辨钞票的真假。
人民币的纸质特征与假钞的纸质特征存有一定的差异，用红外信号对钞票展开反射检测时，它们对红外信号的吸收能力将可以相同，利用这一原理，可以同时实现古文学。
（3）荧光反应的检测―荧光信号的检测荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。
人民币采用专用纸张制造（含85％以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420－460nm的蓝光），人民币则没有荧光反应。
所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。
光电检测技术课程作业及答案打印版
思索题及其答案习题01一、填空题1.一般把对应于真空中波长在（0.38 ）到（0.78 ）范围内旳电磁辐射称为光辐射。
2、在光学中, 用来定量地描述辐射能强度旳量有两类, 一类是（辐射度学量）, 另一类是(光度学量)。
3、光具有波粒二象性, 既是（电磁波）, 又是（光子流）。
光旳传播过程中重要体现为（波动性）, 但当光与物质之间发生能量互换时就突出地显示出光旳（粒子性）。
二、概念题1.视见函数: 国际照明委员会（CIE）根据对许多人旳大量观测成果, 用平均值旳措施, 确定了人眼对多种波长旳光旳平均相对敏捷度, 称为“原则光度观测者”旳光谱光视效率V(λ),或称视见函数。
2.辐射通量: 辐射通量又称辐射功率, 是辐射能旳时间变化率, 单位为瓦(1W=1J/s), 是单位时间内发射、传播或接受旳辐射能。
3、辐射亮度: 由辐射表面定向发射旳旳辐射强度, 除于该面元在垂直于该方向旳平面上旳正投影面积。
单位为 (瓦每球面度平方米) 。
4、辐射强度：辐射强度定义为从一种点光源发出旳, 在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出旳能量, 单位为W／sr(瓦每球面度)。
三、简答题辐射照度和辐射出射度旳区别是什么？答: 辐射照度和辐射出射度旳单位相似, 其区别仅在于前者是描述辐射接受面所接受旳辐射特性, 而后者则为描述扩展辐射源向外发射旳辐射特性。
四、计算及证明题证明点光源照度旳距离平方反比定律, 两个相距10倍旳相似探测器上旳照度相差多少倍？ 答:2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴== 又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1.物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。
光电子技术及应用(第2版)章节习题及自测题参考答案
光电子技术及应用（第2版）章节习题及自测题参考答案第一章习题参考答案一、单选题1.ABCD2.ABC3.ABC4.D5.B6.C7.B8.B9. A 10.A二、填空题11.500，30012.无线电波，.红外光，可见光和紫外光，X 射线，γ射线13.0.77---1000μm ，近红外，中红外和远红外14.泵浦源，谐振腔和激活介质15.频率，相位，振幅及传播方向16.受激辐射，实现粒子数反转，谐振腔；方向性好，相干性好，亮度高 17.935μm18.919.125103.1--⋅⋅⨯s m kg20.三、计算题21.解：（1）根据距离平方反比定律2/R I E e e =，太阳的辐射强度为sr W R E I e e /10028.3252⨯==。
得到太阳的总功率为W I e e 26108.34⨯==Φπ（2）太阳的辐射亮度为()sr cm W A I L e ./10989.127⨯== 太阳的辐射出射度为27/1025.6m W L M e e ⨯==π 太阳的温度为K M T e 57614==σ22.解：222z r r ='=，22cos cos z r z+'='=θθ，r d r dS '∆'=ϕ 由：2cos cos r BdS S d d dE θθ'='Φ'=2202222022)(2cos 2z R RB z r r d r z B r d r r B E R R+=+'''=''=⎰⎰ππθπ 23.解：设相干时间为τ，则相干长度为光束与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ 根据相干时间和谱线宽度的关系c L c v ==∆τ1 又因为00γλλv ∆=∆，λc v =0，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式：单色性=101200010328.6108.632-⨯===∆=∆nm nm L v v c λλλ 24.证明：若t=0时刻，单位体积中E 2能级的粒子数为n 20，则单位体积中在t→t+dt 时间内因自发辐射而减少的E2能级的粒子数为：2122122120A t dn A n dt A n e dt --==故这部分粒子的寿命为t ，因此E2能级粒子的平均寿命为212120020211A t tA n e dtn A τ∞-==⎰ 25.解：设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ，121m,2m R R =-=工作物质长0.5m l =，折射率 1.52η=根据稳定条件判据：（1） 其中（2） 由（1）解出2m 1m L '>>由（2）得所以得到： 2.17m 1.17m L >>第二章习题参考答案011 1 21L L ''⎛⎫⎛⎫<-+< ⎪⎪⎝⎭⎝⎭() l L L l η'=-+10.5(1)0.171.52L L L ''=+⨯-=+一、选择题1.ABCD2.D3.ABCD4.AC5.ABCD6.A7.A8.A9.A 10. B二、 是非题911.√ 12.× 13.× 14.× 15.√ 16.√三、 填空题17.大气气体分子及气溶胶的吸收和散射；空气折射率不均匀；晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电压后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。
光电检测技术习题答案
光电检测系统作业答案：第一章：1-2：使用一定的敏感器和传感器，对被测量感知，并转化为电信号，实现非电量的检测。
1-7：题目自拟。
第二章：2-2：光照PN结产生光生载流子，在PN结两端出现电动势，称为光生伏特效应。
在光生伏特效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短，所以光生伏特效应的探测器比光电导探测机器有更快的响应速度。
2-4：光电效应是指光照射到物体表面上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势的现象。
光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。
光电效应对光频率(波长)具有选择性，在光子与电子的相互作用下，其响应速度比较快。
按照是否发射电子可将光电效应分为内光电效应和外光电效应，具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。
光热效应是指探测元件在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能变为晶格的热运动，引起探测元件温度的上升，温度上升的结果又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。
原则上，光热效应对光波频率(波长)没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率，而与入射光辐射的光谱成分无关。
因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。
光热效应包括热释电效应、温差电效应和辐射热计效应等。
第三章3-4：该题参数不够3-5：光电导器件响应时间受入射光的照度、所加电压和负载电阻大小等因素限制。
光伏器件的工作频率比光电导器件的工作频率高。
实际使用中主要通过电路设计来改善工作频率响应，如合理地设计负载电阻的大小。
3-13: 由于光照度增大到一定程度后，硅光电池的p-n 结产生的光生载流子数达到饱和，其开路电压也将受到势垒高度的限制，因此不会再随入射照度的增大而增大。
硅光电池的最大开路电压由表达式可得lnI S U U T oc Φ=，其中U T ≈0.26mV ，S 为光电灵敏度，Ø为光照度，通常U oc ≈0.45~0.6V 。
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
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R1 5.1 *12 6V U bb 5.1 5.1 R1 RW 1
t ( RW 2 R)C ln(U bb / U th ) (8.2 15) *10 3 *1*10 6 ln(12 / 6) 16.08ms
9 试分析如图 2-20(a)和(b)所示的放大电路中，光敏电阻的作用。
已知某光敏电阻在 500lx 的光照下的阻值为 550 ， 而在 700lx 的光照下的阻 值为 450 。试求该光敏电阻在 550lx 和 600lx 光照下的阻值？
解：由 r
lg R1 lg R 2 lg 550 lg 450 =0.596 得r lg 700 lg 500 lg E 2 lg E 1
解：根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流
Iw
U bb U w 8 9.8mA 满足稳压管的工作条件 Rb 820
(1) 当 U w 4V 时， I e
U w U be 4 0.7 1mA Re 3.3*10 3
由
Rp
U bb U 0 得输出电压为 6 伏时电阻 R1 6K ， Ie
(3) 当 Re 3.3K 时， I e 1mA, r=1, R P 6 K 解得 R p 3.4 K
ห้องสมุดไป่ตู้
U 0 U bb I e R p =8.6V
当 Re 6 K 时， I e 0.55mA, r=1, R P 6 K 解得 R p 3.4 K
U 0 U bb I e R p =10V
2
* 220 *10 3 10.83V
I2
U W 0.7 6 0.7 2.65 *10 7 A 6 R3 0.2 *10
6
集电极电压 U 2 U CC I 1 R3 12 26.5 *10
* 220 *10 3 6.17V
U U 1 U 2 10.83 6.17 4.66V
输出电压为 9 伏时电阻 R2 3K ，故 r
lg R1 lg R2 =1； lg E 2 lg E1
2
输出电压为 8V 时，光敏电阻的阻值为 R p 解得 E=60lx (2) 与（1）类似，得到 E=34lx
U bb U 0 lg R1 lg R2 =4K ，代入 r lg E 2 lg E 1 Ie
(4) 电路的电压灵敏度 S v
U 86 0.1(v / lx) E 60 40
7 在如图 2-16 所示的火灾探测报警器电路中，设 U bb 12V ,其他电路参数如图中所示，若 PbS 光敏电阻的暗电阻值为 1 M ，在辐照度为 1 mW / cm 情况下的亮电阻阻值为
当光照度为 40lx 时输出电压为 6V，80lx 时为 9V。设该光敏电阻在 30~100lx 之间的 值不变。试求： （1） 输出电压为 8V 时的照度。
（2） 若 Re 增加到 6 k ，输出电压仍然为 8V，求此时的照度。 （3） 若光敏面上的照度为 70lx，求 Re 3.3k 与 Re 6k 时输出的电压。 （4） 求该电路在输出电压为 8V 时的电压灵敏度。
解： （a）通过光照调节 R P 的电阻值从而动态的控制集成运放电路的放大倍数
（b）通过光照调节 R P 的电阻值从而动态的调节集成运放同向输入端的输入电压。
4
1
解：在照明控制电路中，入射辐射很强 *1000=208 V 由 I p US g E 得， E (
r
r=0.5，光敏电阻分压 U C =220-0.002*（1+5）
IP 2 ) 369.8 lx US g IP =220—0.002*（5+R）*1000，推出 Sg E
在光照度在 3lx 时，入射辐射很弱，r=1，由 U R=820 ，故应将 R 值调到 820 。 5
光电探测技术与应用 主编：郝晓剑 李仰军
国防工业出版社
第三章 光电导器件
1 试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏 度越高。 t / ，并对其 解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80） n N e , (1 e ) 代入（1-83）
求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为
lg R2 r ( l g E2 lg E1 )
当光照为 550lx 时， R1 10 当光照为 600lx 时， R1 10
6
= 519.53 =493.3
lg R2 r ( l g E2 lg E1 )
在如图所示的电路中， 已知 Rb 820 ，Re 3.3k,U w 4V ， 光敏电阻为 R p ，
2
0.2 M 。问前置放大器 VT1 集电极电压的变化量为多少？ 解：在没有光照的情况下通过 R3 的电流
I1
U w 0.7 6 0.7 5.3*10 6 A 6 R3 1*10
6
集电极电压 U 1 U CC I 1 R3 12 5.3*10 在辐照度为 1mw/ cm 情况下通过 R3 的电流
Sg
2
dg q (1 e t / ) ，由此可知时间 t 响应越长，灵敏度越高。 d e , hcl 2
对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电 导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又 会如何？
解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时 间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。 其材料性质已经一样，只是决定了 的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子 浓度和热生电子浓度各异，决定了 值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决 定热生电子浓度不同，同样也决定了 值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相 同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。
3
设某只 CdS 光敏电阻的最大功耗为 30mW， 光电导灵敏度 S g 0.5 10 6 S / lx ， 暗电导 g 0 0 。试求当 CdS 光敏电阻上的偏置电压为 20V 时的极限照度。
解：由式（2-1） I p US g E r 得 最大照度 E (
IP 2 P ) ( 2 ) 2 =22500 lx US g U Sg
8 如 图 2-17 所 示 的 照 相 机 快 门 自 动 控 制 电 路 中 ， 设 U bb 12V ， Rw1 5.1k ，
Rw 2 8.2k ， C1 1F ,CdS 光敏电阻在 1 lx 时的阻值约为 15 k 。求景物照度为 llx
时快门的开启时间。
3
解：
U th
最小照度 E
4
IP P 2 =150 lx US g U S g
在如图所示的照明灯控制电路中，将上题所给的 CdS 光敏电阻用作光电传感 器，若已知继电器绕组的电阻为 5 K ，继电器的吸合电流为 2mA，电阻 R 1K 。求为使继电器吸合所需要的照度。要使继电器在 3lx 时吸合，问 应如何调整电阻器 R？