光电检测技术课程作业与答案

思考题及其答案 习题 01

一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（ 0.38 m）到（ 0.78 m

）范围内的电磁 辐

射称为光辐射。 2 、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，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）。光的传播过程中 主要表现为（波动性） ，但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出 光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（ CIE ）根据对许多人的大量观察结果，用 平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标 准光度观察者”的光谱光视效率 V（λ）,或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦 （1W=1J/s） ，是单位时间内发射、 传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该 方向的平面上的正投影面积。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个点光源发出的，在单位时间内、给定 方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为 W／ sr（瓦每球面度 ）。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接 收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律， 两个相距 10 倍的相同探测器上的照 度相差多少倍？答： 设点光源的辐射强度为 I

在理想情况下，点光源 的总辐射通量为 ＝4 I

又 半径为 R的球面上的辐射照度为 E d ＝ 2 dA 4 R2

习题 02

、填空题

3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能 态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率） 4、半导体对光的吸收有（本征吸收） （杂质吸收）（自由载流子吸收） （激 子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收） 。

二、概念题 1 、禁带、导带、价带： 禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不 允许电子占据的，此范围称为禁带。

导带： 价带以上能量最低的允许带称为导带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为 价带。

E d 4 I I E 2 2 dA 4 R2 R2 设第一

个探测器到点光 第二个探测器到点光源

L1 10L2

又 E I 2

R2 E I I

E1 2 2

1 L12 10L2 2

E2 100E1

源的距离为 L1， 的距离为

I 100L22 L2 E2 I L22

1、物体按导电能力分（绝缘体） 半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化 ,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能 向电子提供能量的外力作用） 、 电子跃入的那个能级必须是空的） 。 2、热平衡状态：在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平 衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。 3、强光注入、弱光注入：

强光注入：满足 nnpn >>n n0pn0＝ni×ni nn0 < Δn n＝Δpn 条件的注入称 为强光注入。 弱光注入 : 满足 nnpn >nn0pn0＝ni×ni nn0 >Δnn＝Δpn 条件的注入称为 弱光注入。 4、非平衡载流子寿命τ：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。 三、简答题 1、掺杂对半导体导电性能的影响是什么？

答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的 电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带 跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的 电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。 2、为什么空穴的迁移率比电子的迁移率小？ 答：迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质 量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比电子的迁移率小。 3、产生本征吸收的条件是什么？ 答：入射光子的能量（ h ν）至少要等于 四、计算题 1 、 本征半导体材料 Ge 在 297K 下其禁带宽度 Eg=0.67(eV) ，现将其掺 入杂质 Hg ，锗掺入汞后其成为电离能 Ei=0.09(eV) 的非本征半导体。试计 算本征半导体 Ge 和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。

2、某种光电材料的逸出功为 1Ev ，试计算该材料的红限波长。 (普朗克常 数h＝6.626 ×10 -34 (J.s) ，光速 C＝2.998 ×10 8(m/s) ，电子电量 e＝1.6

×10 -19 库仑）

习题 03

一、概念题 1、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或导电率发生变化，或 产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。 2 、光电发射第一定律：也称斯托列托夫定律。当入射光线的频谱成分不变 时，光电阴极的饱和光电发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量 φK 成正比 3 、光电发射第二定律：也称爱因斯坦定律。发射出光电子的最大动能随入 射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。

二、简答题 外光电效应和内光电效应的区别是什么？ 答：外光电效应是物质受到光照后向外发射电子的现象，而内光电效应是 物质在受到光照后产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部。 习题 04

一、概念题

c ch 1.24 1.24 0 0 0 0

m 1.24 m

1

解：

材料的禁带宽度。即 c h 1.24 Eg Eg

01 1.24 解： Eg 1.24 m 0.67

1.851 m

02 1.24 Ei 1.24 m 0.09

13.778 m 1、光电探测器的响应度（或灵敏度） ：光电探测器的输出电压 Vo 或输出电 流 Io与入射光功率 P 之比。 2、热噪声：载流子无规则的热运动造成的噪声，又称为约翰逊噪声。 3、信噪比：在负载电阻 RL 上产生的信号功率与噪声功率之比。

4 、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数 之比。 二、简答题 热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？答：热电检测器件特点：① 响应波长无选择性，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。 ②响应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。 光电检测器件特点：①响应波长有选择性，存在某一截止波长λ 0 ，超过此 波长，器件没有响应。 （λ＝10 －2～20μm） ②响应快，一般在纳秒到 几百微秒。 习题 05

一、简答题 1、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？ 答：光电倍增管由光入射窗、光电阴极，电子光学输入系统 （光电阴极到第 一倍增极 D1 之间的系统 ）、二次发射倍增系统及阳极等构成。 工作原理：光子透过入射窗入射到光电阴极 K 上。此时光电阴极的电子受 光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过电场加速和电子光学系统 聚焦入射到第一倍增极 D1 上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次 电子。入射电子经 N 级倍增后，光电子就放大 N 次。经过倍增后的二次电 子由阳极 a 收集起来，形成阳极光电流，在负载 RL 上产生信号电压。 2 、光电倍增管的供电电路注意哪些问题 ？ 答：(1)倍增管各电极要求直流供电， 从阴极开始至各级的电压要依次升高， 常多采用电阻链分压办法供电。流过电阻链的电流 IR 至少要比阳极最大的 平均电流 Iam 大 10 倍以上。 (2) 供电电源电压稳定性要求较高。 (3) 为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分 压电阻上并联电容器。 (4) 倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位， 即接地点。 二、计算题 现有 GDB-423 光电倍增管的阴极有效面积为 2cm 2 ，阴极灵敏度为 25

μ

A/lm ，倍增系统的放大倍数 10 5 ，阳极额定电流为 20 μA，求允许的最大 照度。 解： ia 20 A M 105

ik ia

2 10 4 A

M

SI ik i k

A E

E i k

4 2 10 A 2

4 2 0.04 lm m2 0.04lx A SI 2 10 4 m2 25 A lm

习题 06

一、分析题 红外报警电路如图所示，分析它的工作原理？