光电技术复习资料汇总.docx
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光电技术复习资料汇总
光电技术复习资料汇总
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1、设受光表面的光照度为100lx，能量反射系数0.6，求该表面的光出射度和光亮度（假定该表面为朗伯辐射体）.（）解:
设受光表面光谱反射率相同,则每单位表面反射的光通量为
Lm/m2这也就是该表面的光出射度Mv。
对朗伯辐射体，其光亮度与方向无关,沿任意方向（与法线方向成角）的发光强度与法线方向发光强度之间的关系为
每单位面积辐射出的光通量除以即为其光亮度：
Cd/m2sr
附：
朗伯体法向发光强度I0与光通量的关系由定义，发光强度，所以在立体角内的光通量:
在半球面内的光通量
2、计算电子占据比高2KT、10KT的能级的几率和空穴占据比低2KT、10KT能级的几率。
解:
能量为E的能级被电子占据的概率为
E比Ef高2kT时，电子占据比：
E比Ef高10kT时，电子占据比：
E比Ef低2kT时，空穴占据比：
E比Ef低10kT时，空穴占据比：
3、设N－Si中，掺杂浓度，少子寿命.如果由于外界作用，少子浓度P＝0（加大反向偏压时的PN结附近就是这种情况），问这时电子一空穴的产生率是多少？
（复合率，当复合率为负值时即为产生率）
解：
在本征硅中，，在N型硅中,少子浓度：
产生率为:
R`=
每秒钟每立方厘米体积内可产生2.25×109个。
4、一块半导体样品,时间常数为，在弱光照下停止光照0.2后，光电子浓度衰减为原来的多少倍？
解:
5、一块半导体样品，本征浓度，N区掺杂浓度，P区掺杂浓度，求PN结的接触电势差（室温下,）。
解：
在P—N结处，接触电势差
6、设某种光电倍增管一共有10个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为，阴极灵敏度，阳极电流不得超过100，试估算入射于阴极的光通量的上限。
解：
阳极电流IA满足：
，所以入射光通量
lm
7、上题中,若阳极噪声电流4nA,求其噪声等效光通量?
（）
解：
题中未给出入射光的波长值，我们取波长为555nm，则
NEP=Lm
8、某光敏电阻的暗电阻为600k，在200lx光照下亮暗电阻比为1:
100，求该电阻的光电导灵敏度。
解：
该光敏电阻的亮电阻为,光电导，所以光电导灵敏度S/Lx
9、某热探测器的热导为，热容量为，吸收系数0。
8,若照射到光敏元上的调制辐射量为，求其温升随时间的变化关系，并给出上限调制频率。
解：
上限调制频率，所以：
HZ。
温升随时间的变化关系
10、某光电导器件的特性曲线如右图，用该器件控制一继电器。
使用30V直流电源，电路在400lx的照度下有10mA电流即可使继电器吸合。
试画出控制电路，计算所需串联的电阻和暗电流.
Rt
30V
R
J
题9—2图光敏电阻控制继电器电路
R1
解：
光敏电阻的光电导灵敏度为
S/Lx
在400Lx的光照下，光敏电阻的阻值为R。
S
所以，Rt=2500欧姆。
使用30V直流电源，使继电器吸合需10mA电流。
这时回路电阻应为
RL=30/0.010=3000欧姆
比光敏电阻的阻值要大，故需串联一个电阻R1，R1=RL—Rt=500欧姆，如图9—2所示。
11、已知2CR太阳能光电池的＝0.55伏,＝50mA，要用这种光电池组合起来对6V、0.5A的蓄电池充电，应组成怎样的电路？
需要这样的光电池多少个?
（充电电源电压应比被充电电池电压高1伏左右）
解：
光电池用于能量转换时,输出电压一般取开路电压的0.8倍，这时输出电流约为0。
8Isc=40mA，输出电压0.44伏。
需用个电池串联供电。
每支路提供40毫安的电流，需要条支路并联。
共需用个这样的电池串、并联供电。
12、具有上题所示特性的光敏电阻,用于右图所示的电路中。
若光照度为E＝（400＋50sin）lx,求流过的微变电流有效值和所获得的信号功率.
解:
设光照度变化频率和电容量C足够大,则电容交流短路。
交流等效负载为R1和R2的并联值,R∥=2k。
由上题，G0=4×10-4S，
Gmax=SgEmax=1.0×10-6×450=4.5×10-4S
直流工作点：
（安）。
光照度最大时，总电流
（安）
所以交变电流的峰值电流是imax=6.35-6.00=0。
35（mA），通过R2的峰值电流是：
负载电阻R2所获得的信号功率为：
W
13、某光电二极管的结电容5pF，要求带宽10，求允许的最大负载电阻是多少?
若输出的信号电流为10，在只考虑电阻热噪声的情况下，求K时信噪电流有效值之比.又电流灵敏度如为0.6A/W时,求噪声等效功率。
解：
因为，所以最大负载电阻：
电阻热噪声，信噪电流有效值之比：
W
14、某光电二极管的光照灵敏度为SE=3.010-6A/LX，拐点电压为VM=10V，给它加上50伏的反向偏置电压,其结电容为5pF。
试求：
（20分）
①若其能接收f=6MHz的光电信号,求其允许的最大负载电阻。
②如光电二极管耗散功率为200毫瓦，求所允许的最大光照度。
③如只考虑电阻的热噪声，求在问题①条件下输入电路的等效噪声功率及可探测的最小光照度（S/N=1）。
④。
如输入信号光照度为E=50（1+sinωt）LX，求在最大输出信号电压情况下的负载电阻和电路通频带宽度。
解：
①最大负载电阻：
②负载曲线通过拐点时，光电二极管耗散功率为
所以：
LX
③取RL为最大负载电阻，其热噪声功率为
W
取光谱光视效率为最大值683，得可探测的最小光照度为:
LX
④在最大输出信号电压情况下，照度达100LX时，光电二极管上压降为10伏,输出电压Us=U0—UM=40伏,对应的光电流为
IS=SEE=3。
0×10—6×100=3。
0×10—4安。
负载电阻为RL=US/IS=1.33×105欧姆
这时的电路通频带宽度是：
HZ
三、教材上所布置的所有作业题。
第一章:
1、
解：
光衰减器的透射比指的是光辐射能量的透射比.在亮视觉时，对波长为的单色光，光亮度，对波长为的单色光，光亮度,且有。
在暗视觉时,应有：
，
因为：
大于1,所以在暗视觉时，波长为的光源的光亮度大于波长为的单色光源的光亮度。
（光谱光视效能值参见教材第4页，此处采用了数值内插）
2、
解：
白炽灯各向同性发光时
Lm
3、
解:
由维恩位移定律,，所以
4、
解：
①该激光束的光通量
Lm（流明）
发光强度Cd（坎德拉）
光亮度Cd/m2
光出射度Lm/m2
②10米远处光斑面积大小：
m2
反射光功率为：
W
反射光通量Lm
漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I0与光通量的关系是，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以:
Cd/m2
第三章
7、
解：
S
1、
解：
300K时,，远大于ni，所以
。
而,个/cm2
其费米能级
其能级图如右。
2、
解:
300K时，因，
个/cm2
其费米能级
其能级图如右。
6、
解：
因为归一化探测率,所以
W
这就是能探测的最小辐射功率.
4、
解：
（a）300K时，本征硅的电导率
（b）掺杂率10—8,则掺入的施主浓度为
所以，，
8、
解:
该金属光电发射体的逸出功为2.5eV，所以，且。
（a）发生光电效应的长波限：
m
（b）费米能级相对于导带底的能级差
eV
第四章
10、
解：
（b）阴极电流
倍增系数
阳极电流
11、
解:
光电倍增管的增益与每级电压的kn次方成正比.其中k为0.7～08，n是倍增级数。
既:
所以
如要求放大倍数的稳定度大于1%，则电压的稳定度应优于
12、
解：
因为阳极电流，所以最大光照度
lx
第五章
2、
解:
光敏电阻中的光电流，所消耗的电功率为，
所以极限照度为；lx
第八章
4、
解：
由题意，电荷转移率为,式中，所以：
3、
Rt
RL
U
题5—3图
解:
电路如右图所示.
1RL上的分压为，所以
无光照时
有光照时
②因为光电导
所以光照度
LX
4、已知CdS光敏电阻的暗电阻RD=10MΩ,在照度为100LX时亮电阻R=5KΩ.用此光敏电阻控制继电器,其原理如图所示。
如果继电器的线圈电阻为4KΩ,继电器的吸合电流为2mA，问需要多少照度时才能使继电器吸合？
如果需要在400LX时继电器才能吸合,则此电路需作如何改进？
解：
由题意，
①继电器吸合时的电流为2mA，由
lx
②由题意，继电器吸合时的电流为2mA，总电阻应为6千欧，而光敏电阻的阻值是
继电器的电阻是4千欧，所以还应串接一个750欧姆的电阻。
（也可将电源电压降为10.5伏）。
5、
解：
（a）恒流偏置，
（b）恒压偏置，，，
第六章
6、
解：
因为微安表满量程电流为100微安，故I2最大值是1。
4毫安.这时光电池电压0。
3伏，所以
在微安表支路中，电流为0。
3/（100×10-6）=3×103欧姆，所以R1为2000欧姆。
8、现有一块光敏面积为5×5mm2的硅光电池2CR21，其参数为,要求用一个量程为10V的电压表作照度指示,测试照度分别为100LX和1000LX两档，试设计一个带有运放的照度计，画出其原理图,并给出图中元件的参数.
解：
由题意,运算放大器应设计成电流—电压变换器的形式，如图所示。
因为
所以，在100lx的照度下，
同理，在100lx的照度下，
9、
解：
（1）2CU2的暗电流
（A）
（2）有光照时，，，所以:
A/lx
10、用2CU1型光电二极管接收辐射信号，如题6—11图所示.已知2CU1的灵敏度A/W，暗电流小于0。
2μA，3DG6C的。
当最大辐射功率为400μW时的拐点电压V,求获得最大电压输出时的值。
若入射辐射功率由400μW减小到350μW时,输出电压的变化量是多少？
解：
由于最大光电流μA远大于暗电流μA，所以暗电流可以忽略。
a）最大辐射功率为400µW时，拐点电压V，这时输出电压
V
由于，所以
b）当辐射功率从400µW减小到350µW时,
V
11、
解：
由题意，应由直流负载电阻来确定直流工作点，放大器输入电阻与直流负载电阻并联共同组成光电二极管的交流负载。
其检测电路和交流等效电路如图所示。
（1）在直流静态工作点Q，应有
在交流情况下，应有
在取得最大输出功率的情况下，应有，以上三式联立求解,得：
S
所以:
S
（2）输入给放大器的电流为
其有效值为
电压有效值为伏
功率有效值为
（如取结间电导S，则S,，；，V，W）
12、
解:
图中用2CU型光电二极管接受辐射通量变化为μW的光信号，其工作偏压为Ub=60V，拐点电压UM=10V，2CU的参数是:
光电灵敏度A/W,结电容Cj=3pF。
设引线分布电容C0=7pF,试计算：
（1）管子工作在线性区并获得最大输出电压时，Rb应为多少？
输出电压有效值VL？
上限截
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