光电子技术安毓英第四章课后习题参考答案

4.1 比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。

答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是hν，h是普朗克常数, ν是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。

光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。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。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。

4.3 用光敏电阻设计路灯自动点亮器

本题为开放式。可能有不同答案。有设计图都算，无明显错误，都算对

4.4 已知Si 光电池光敏面积为5×10mm2, 在1000W/m2光照下，开路电压u∞=0.55V，光电流iφ=12mA。试求:

（1）在（200 ~ 700）W/m2光照下,保证线性电压输出的负载电阻和电压变化值;

（2）如果希望输出电压变化量为0.5V，怎么办？

解：

（1）不同的光照强度下，光电池的开路电压有变化，由（4 -115）式得到开路电压变化值：

2

2222

22'200/,' 2.610ln('/)' 2.610ln(200/1000)0.55 2.610ln(0.2)0.51'700/' 2.610ln(700/1000)0.55 2.610ln(0.7)0.54oc oc oc oc oc oc p W m u u P P u u V

p W m u u V

−−−−−==+⨯=+⨯=+⨯===+⨯=+⨯=

电压输出工作在光电池的光电流区域，在该区域光电流与光照功率成正比，所以短路电流为：

22'''''200'200/,'12 2.41000

'700'700/,

'128.41000i P P i i i P P

P p W m i i mA mA P P p W m i i mA mA P ϕ

ϕϕϕϕϕϕϕ=∴==⇒==⨯==⇒==⨯=， 根据P140页关于“保证光电池线性工作的负载电阻R L 的选取原则”的分析和讨论，为保证线性电压输出，负载电阻应该用（4 -123）式确定。

21220.51'200/,

0.60.6127.52.40.54'700/,

0.60.638.68.4oc L oc L u V p W m R i mA u V p W m R i mA ϕϕ=⇒≈⨯=⨯=Ω=⇒≈⨯=⨯=Ω

根据R L 的选取原则的分析知道，为了满足在（200～700）W/m 2条件下都满足线性关系，负载电阻应该是

12min(,)38.6L L L R R R ==Ω

在忽略PN 结漏电流i sh 和二极管电流i D 的条件下，i=i φ，所以输出电压的变化值是

3(8.4 2.4)61038.60.232L u mA R A V −∆=−⨯=⨯⨯Ω=

（2） 如果希望在（200 ~ 700）W/m 2 光照下，输出电压变化量为0.5V ，如果不考虑线性问题。从表面上看，我们可以加大负载电阻增加输出电压变化量：

30.50.51083.3(8.4 2.4)6L V V R mA A

=

=⨯=Ω− 但是此时 83.38.40.700.54mA V V Ω⨯=>

这超出了该光电池的开路电压，该方案不现实。合理的做法是用两个光电池串联，实现电压的倍增，如P141页图4-26（b ）所示。

4.6.

依次带入，可证