简答题——光电检测技术期末整理

1、雪崩光电二极管的工作原理（当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。

只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。

）2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？（共性：同属于内光电效应。

区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。

）什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？（将被测非电量转换为可用非电量的器件。

共性：对被测非电量进行转换。

区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）发光二极管的工作原理。

（在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。

一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。

说明光子器件与热电器件的特点。

光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。

响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点（它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。

原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。

两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。

特点：PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。

缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。

）热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。

（第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。

第二阶段）8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？1.论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。

（10分）下面是一个光电检测系统的基本构成框图：(4分)（1）光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一部分。

在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。

（2）被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。

光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

（3）光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。

光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。

（4）光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。

其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。

（5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。

光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。

（6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。

@1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。

@2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。

@.3经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流。

）10简述CCD器件的结构和工作原理（MOS电容器件+输入输出端=CCDCcd的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单元上；在耗尽层中或距耗尽层为一定范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附近形成电荷包，存储在像敏单元中。

电荷包的大小与光强和积分时间成正比。

电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。

即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。

势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。

）11、简述热电偶的工作原理（热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。

）//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////三、简答题（共 46 分）4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造成蛇形？（8 分）光电导器件的响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应？（8 分）答：在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度是定值，输出光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

光敏电阻做成蛇形，一方面既可以保证有较大的受光面积，一方面减小电极之间的距离，从而既可以减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。

2、响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命τ 有关，减小τ ，则频率响应提高；其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化，因为它们都影响载流子的寿命。

光伏特器件的工作频率高于光电导器件。

要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：①减小负载电阻；②减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；③适当增加工作电压。

6、试问图 2 (a) 和图2(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压U0 的表达式。

（10 分）答：都属于共射极电路，3、如果硅光电池的负载是R,画出等效电路。

写出流过负载I的电流方程及Uoc,Isc的表达式，说明含义硅光电池的工作原理和等效电路为下图：（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化(4分) 从图（b ）中可以得到流过负载R L 的电流方程为：)1()1(/0/0--=--==KT qV s E KT qV s p D p e i E S e i i i i i － （1） 其中，S E 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，I s0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。

(2分)当i ＝0时，R L ＝∞（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以V OC 表示，由式（1）解得：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=1ln 0I I q kT V p OC （2）.。

（4分） 当Ip 》Io 时，)/ln()/(0I I q kT V p OC ≈当R L ＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc 表示，所以Isc ＝I p ＝Se ·E （3）。

（4分） 从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc 与入射光照度成正比，而开路电压Voc 与光照度的对数成正比。

4.光伏探测器的工作模式分为哪几种？为什么（分类依据）？他们的主要区别？（10 分） 答:光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式则由外偏 压回路决定。

在零偏压的开路状态，PN 结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成 光伏工作模式。

当外回路采用反偏电压，即外加 P 端为负，N 端为正的电压时。

无光照时的 电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化 而变化。

从外表看，PN 结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以 称为光导工作模式。

主要区别：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光 电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。

论述题（共 26 分）1.为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力？（ 12分） （第六章）而中频电流输出对应的电功率为：，其中 R L 为光电探测器的负载电阻。

所以，这里的横线是对中频周期求平均。

从物理过程的观点看， 直接探测是光功率包络变换的检波过程； 而光频外差探测的光电 转换过程不是检波，而是一种“转换”过程，即把以 ω S 为载频的光频信息转换到以 ω IF 为 载频的中频电流上，这一“转换”是本机振荡光波的作用，它使光外差探测天然地具有一种 转换增益。

为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。

为此令把（1）和（2）式代入（3）中得到：通常在实际应用中， PL >> PS 因此 M>>1, M 的大小和 PS 的量值有关。

例如假定 PL = 0.5mw ，那么在不同的 PS 值下，M 值将发生明显变化。

列举数值如表 1 所示：从表 1 的数值举例中看出，在强光信号下，外差探测并没有多少好处，在微弱光信号下，外差探测器表现出十分高的转换增益。

例如，在量级时，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高量级，所以我们可以说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。

三、简答：（每小题6分，共30分）1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？半导体激光器（LD）工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。

半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，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，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。