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=CCD Ccd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RL的电流方程为：

)1()1(/0/0KTqVsEKTqVspDpeiESeiiiii－ （1）

其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Is0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，RL＝∞（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VOC表示，由式（1）解得：



1ln0IIqkTVp

OC

（2）.。。（4分）

当Ip》Io时，)/ln()/(0IIqkTVpOC 当RL＝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＝Ip＝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：