南京理工大学作业及答案Word格式.docx

南京理工大学作业及答案Word格式.docx

《南京理工大学作业及答案Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南京理工大学作业及答案Word格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

禁带：

晶体中许诺被电子占据的能带称为许诺带，许诺带之间的范围是不许诺电子占据的，此范围称为禁带。

导带：

价带以上能量最低的许诺带称为导带。

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。

2、热平稳状态：

在必然温度下，激发和复合两种进程形成平稳，称为热平稳状态，现在载流子浓度即为某一稳固值。

3、强光注入、弱光注入：

强光注入：

知足nnpn>

>

nn0pn0＝ni×

ninn0<

Δnn＝Δpn条件的注入称为强光注入。

弱光注入:

知足nnpn>

ninn0>

Δnn＝Δpn条件的注入称为弱光注入。

4、非平稳载流子寿命τ：

非平稳载流子从产生到复合之前的平均存在时刻。

1、搀杂对半导体导电性能的阻碍是什么？

半导体中不同的搀杂或缺点都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子假设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患多。

因此尽管只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数量，从而显著地阻碍半导体的电导率。

2、什么缘故空穴的迁移率比电子的迁移率小？

迁移率与载流子的有效质量和平均自由时刻有关。

由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，因此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？

入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁带宽度。

即

四、计算题

一、本征半导体材料Ge在297K下其禁带宽度Eg=（eV），现将其掺入杂质Hg，锗掺入汞后其成为电离能Ei=（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。

解：

二、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＝×

10-34，光速C＝×

108（m/s），电子电量e＝×

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、或导电率发生转变，或产生光电动势等，这种因光照而引发物体电学特性的改变统称为光电效应。

2、光电发射第必然律：

也称斯托列托夫定律。

当入射光线的频谱成份不变时，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？

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可不能逸出物质外部。

习题04

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：

载流子无规那么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。

热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？

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类波长的辐射一样灵敏。

②响应慢，吸收辐射产生信号需要的时刻长，一样在几毫秒以上。

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λ0，超过此波长，器件没有响应。

（λ＝10－2～20μm）②响应快，一样在纳秒到几百微秒。

习题05

一、简答题

一、光电倍增管的大体结构与工作原理是什么？

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组成。

工作原理：

光子透过入射窗入射到光电阴极K上。

此光阴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量更多的二次电子。

入射电子经N级倍增后，光电子就放大N次。

通过倍增后的二次电子由阳极a搜集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。

二、光电倍增管的供电电路注意哪些问题？

（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，常多采纳电阻链分压方法供电。

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）供电电源电压稳固性要求较高。

（3）为了不使阳极脉动电流引发极间电压发生大的转变，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置电路必需要有一个共用的参考电位，即接地址。

二、计算题

现有GDB-423光电倍增管的阴极有效面积为2cm2，阴极灵敏度为25μA/lm，倍增系统的放大倍数105，阳极额定电流为20μA，求许诺的最大照度。

习题06

一、分析题

红外报警电路如下图，分析它的工作原理？

当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，光敏三极管的集电极为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为低电平，驱动继电器J工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管操纵端有效，晶闸管导通，报警器正常工作。

S为复位键。

当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平，即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继电器不工作，开关维持断开状态，晶闸管操纵端无效，报警器不工作。

二、画图说明题

用PN结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。

习题07

热电探测器是将辐射能转换为（热）能，然后再把它转换为（电）能的器件。

一、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？

热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部份光子的能量，因此各类波长的辐射关于响应都有奉献。

因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围专门宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。

二、热电探测器与一般温度计有何区别？

相同点：

二者都有随温度转变的性能。

不同点：

温度计要与外界有尽可能好的热接触，必需达到热平稳。

热电探测器要与入射辐射有最正确的彼此作用，同时又要尽可能少的与外界发生热接触。

3、简述辐射热电偶的利用注意事项。

⑴由半导体材料制成的温差电堆，一样都很脆弱，容易破碎，利历时应幸免振动。

⑵额定功率小，入射辐射不能很强，它许诺的最大辐射通量为几十微瓦，因此通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。

⑶应幸免通过较大的电流，流过热电偶的电流一样在1微安以下，决不能超过100微安，因此万万不能用万用表来检测热电偶的好坏，不然会烧坏金箔，损坏热电偶。

⑷保留时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。

⑸工作时环境温度不宜超过60℃。

习题08

一、电极化：

电介质的内部没有载流子，因此没有导电能力。

可是它也是由带电粒子——电子和原子核组成的。

在外电场的作用下，带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些转变。

例如，加上电压后，正电荷平均讲来老是趋向阴极，而负电荷趋向阳极。

尽管其移动距离很小，但电介质的一个表面带正电，另一表面带负电。

称这种现象为电极化。

2、居里温度：

铁电体的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减低。

升高到必然温度，自发极化就突然消失，那个温度称为居里温度（或居里点）。

1、什么缘故由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？

⑴半导体材料制成的热敏电阻吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。

因此，其中部份电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。

⑵金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微乎其微的。

相反，因晶格振动的加重，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。

2、简述热释电探测器的工作原理。

当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片时，引发薄片的温度升高。

因此表面电荷减少，这就“释放”了一部份电荷。

释放的电荷通过放大器转换成输出电信号。

若是红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平稳值，表面电荷也达到新的平稳，再也不释放电荷。

也就没有输出信号。

而在稳固状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度有转变时才有输出信号。

三、计算题

一、可见光的波长、频率和光子的能量范围（给出计算公式）各是多少?

可见光的波长：

微米～微米

频率：

×

HZ～×

HZ【利用公式

】

光子能量：

J～×

J【利用公式

二、一块半导体样品,有光照时电阻为50Ω，无光照时为5000Ω,求样品的光电导。

有光照时的电导为：

无光照时的电导为：

故：

该样品的光电导为

习题09

1、发光二极管的发光亮度，大体上是正比于（电流密度）。

二、氦氖激光器以（直流）电源驱动。

从结构上分（全内腔）（全外腔）（半内腔）激光器。

3、发光二极管是（注入式电致发光器件）器件，它能将（电）能转变成（光）能。

1、半导体发光二极管的发光原理

半导体发光二极管的材料是重搀杂的，热平稳状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。

由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。

而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子那么可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。

于是在PN结周围稍偏于P区一边的地址，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。

这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度

，即

二、应用发光二极管时注意哪些要点？

⑴开启电压：

发光二极管的电特性和温度特性都与一般的硅、锗二极管类似。

只是正向开启电压一样都比一般的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。

⑵温度特性：

利用发光二极管和硅的受光器件进行组合利历时，应注意到二者的温度特性是相反的。

温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。

而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。

因此利历时，应把二者放到一路考虑，注意其组合后的整体温度特性。

⑶方向特性：

发光二极管一样都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应注意到这一结构上的特点。

发光管与受光管二者对得不准时，成效会变得很差。

3、激光的产生有哪些条件？

⑴需要泵源,把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去。

⑵介质必需能发生粒子数反转,使受激辐射足以克服损耗。

⑶必需要有一个共振腔提供正反馈及增益,以维持受激辐射的持续振。

4、简述注入式半导体激光器的发光进程。

注入式半导体激光器的工作进程是，加外电源使PN结进行正偏置。

正向电流达到必然程度时，PN结区即发生导带关于价带的粒子数反转。

这时，导带中的电子会有一部份发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。

自发辐射出来的光，是无方向性的。

但其中总会有一部份光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，来回于半导体之间。

通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光放大）。

受激辐射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射。

如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐振腔两头发射出激光。

只要外电源不断的向PN结注入电子，导带关于价带的粒子数反转就会继续下去，受激辐射即可不断地发生，这确实是注入式半导体激光器的发光进程。

五、光器和发光二极管的时刻响应如何？

利历时以什么方式（持续或脉冲）驱动为宜？

发光二极管：

发光二极管的响应时刻很短，一样只有几纳秒至几十纳秒。

采纳脉冲驱动的情形下，取得很高的亮度，但应考虑到脉冲宽度、占空度比与响应时刻的关系。

半导体激光器：

响应时刻很短。

半导体激光器的阈值电流都比较高，由于激光器工作时需要的电流专门大，电流通过结和串联电阻时，将使结的温度上升，这又致使阈值电流上升。

因此阈值电流很高的激光器，通经常使用脉冲电流来鼓励，以降低平均热损耗。

习题10

光电耦合器是由（发光）器件与（光敏）器件组成的（电）－（光）－（电）器件。

这种器件在信息传输进程中是用（光）作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一路的。

1、简述光电耦合器件的电流传输比β与晶体管的电流放大倍数β的区别？

⑴晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即β大；

⑵光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子是与光激发出的空穴相复合而成为光复和电流，可用αIF表示，α为光激发效率（它是发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数）。

一样光激发效率比较低，因此IF大于IC。

即光电耦合器件在不加复合放大三极管时，β小于1。

2、简述光电耦合器件的特点。

⑴具有电隔离的作用。

它的输入、输出信号完全没有电路联系，因此输入和输出回路的电平零电位能够任意选择。

绝缘电阻高达1010Ω～1012Ω，击穿电压高达100～25KV，耦合电容小到零点几皮法。

⑵信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都能够利用。

适用于模拟信号和数字信号。

⑶具有抗干扰和噪声的能力。

它作为继电器和变压器利历时，能够使线路板上看不到磁性元件。

它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光阻碍。

⑷响应速度快。

一样可达微秒数量级，乃至纳秒数量级。

它可传输的信号频率在直流和10MHz之间。

⑸利用方便，具有一样固体器件的靠得住性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳固，耗电省，本钱低，工作温度范围在－55℃～＋100℃之间。

三、分析题

光电耦合器件测试电路如下图，分析它的工作原理。

S1开关接通后：

⑴S2开关没有接通，正常情形下LED是不发光的。

若是它是发光的，那么说明光电耦合器的接收端已经短路。

⑵S2开关接通，正常情形下LED发光，它的发光强度能够用电位器RP来调剂。

若是LED没有发光，那么说明光电耦合器是坏的。

习题11

一、光电成像器件包括（扫描成像器件）（非扫描成像器件）。

二、扫描型光电成像器件又称（摄像器件）。

光电摄象器件应具有三种大体功能（光电变换）（光电信号存储）（扫描输出）。

3、分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。

分辨率经常使用两种方式来描述（极限）分辨率和（调制传递）函数。

习题12

一、转移效率：

电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是当即的和全数的，而是有一个进程。

在必然的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q（0），在时刻t时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极转移，但总有一小部份电荷某种缘故留在该电极下，假设被留下来的电荷为Q（t），那么转移效率η概念为转移的电量与原电量之比，即

2、转移损失率：

在必然的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q（0），在时刻t时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极转移，但总有一小部份电荷某种缘故留在该电极下，假设被留下来的电荷为Q（t），那么转移损失率概念为残留于原势阱中的电量与原电量之比，即

一、什么缘故CCD必需在动态下工作？

其驱动脉冲的上、下限频率受哪些条件限制，应如何估算？

CCD是利用极板下半导体表面势阱的转变来贮存和转移信息电荷的，因此它必需工作于非热平稳态。

时钟频率太低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引发失真。

时钟频率太高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，如此，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。

因此，利历时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估量。

为了幸免由于热平稳载流子的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时刻t必需小于少数载流子的平均寿命。

那时钟频率太高时，假设电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时刻t大于时钟脉冲使其转移的时刻T/3，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的转变，转移效率大大下降。

f上决定于电荷包转移的损耗率ε，确实是说，电荷包的转移要有足够的时刻，电荷包转移所需的时刻应使之小于所许诺的值。

分析浮置扩散放大器输出的工作原理。

V1为复位管，R1为限流电阻，V1为输出管，RL为负载电阻，C为等效电容。

电荷包输出前，要先给V1的栅极加一窄的复位脉冲φR，这时，V1导通，C被充电到电源电压，V2管的源极S2的电压也跟从上升接近于电源电压。

φR变成低电平以后，V1截止，但V2在栅极电压的操纵下仍为导通状态。

当电荷包通过输出栅OG流过来时，C被放电，V2的源极电压也跟从下降，下降的程度那么正比于电荷包所携带的电量，即组成输出信号。

习题13

1、变像管仍是像增强管取决于（阴极材料）。

若是对（红外或紫外）光线灵敏，那么它确实是变像管；

若是它只对（微弱的可见）光灵敏，那么它确实是像增强管。

2、变像管和像增强管都具有图像增强的作用，实现图像增强一样有两种方式：

增强（电子图像密度）和增强（增强电子的动能）。

3、增强电子图像密度，一样利用（二次电子发射）来实现；

增强电子动能，用增强（增强电场或磁场的）的方式。

1、变像管？

像增强管？

像管和摄像管的区别？

变象管是指能够把不可见光图象变成可见光图象的真空光电管。

图象增强管是指能够把亮度很低的光学图象变成有足够亮度图象的真空光电管。

2、简述像管的工作原理。

⑴目标物所发出的某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极上形成目标的像，引发光电发射。

阴极面每一点发射的电子数密度正比于该点的辐射照度。

如此，光阴极将光学图像转变成电子数密度图像。

⑵加有正高压的阳极形成很强的静电场，合理的安排阳极的位置和形状，让它对电子密度图像起到电子透镜的作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。

它还使光电阴极发射出来的光电子图象，在维持相对散布不变的情形下进行加速。

⑶荧光屏在必然速度的电子轰击下发出可见的荧光，如此，在荧光屏上即可取得目标物的可见图像。

习题14

一、已知硅光电二极管2DU2的灵敏度Si=μA/μW，结间漏置电导G=μS，转折点电压UM=13V，入射光功率从Φmin=15μW变到Φmax=35μW，供电偏电压为Ub=55V。

求：

⑴取得最大线性输出电压下最正确负载RL。

⑵输出电压ΔU。

（3）输出电流ΔI。

二、已知硅光电池2CR32的受光面积为5×

10mm2，在室温30℃，人射光照度为1000W/m2的条件下，UOC=，ISC=12×

10-3A。

求能在200～700W/m2照度范围内，

⑵输出电压ΔU。

⑶输出电流ΔI。

3、光敏电阻R与RL＝20kΩ的负载电阻串联后接于Ub＝12V的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为U1＝20mV，有光照时负载上的输出电压为U2＝2V，求①光敏电阻的暗电阻和亮电阻值②假设光敏电阻的光电导灵敏度Sg＝6×

10－6S/lx,求光敏电阻所受的照度。

①光敏电阻的暗电阻和亮电阻值的计算

②光敏电阻所受的照度

4、已知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW,光电导灵敏度Sg=×

10-6S/lx暗电导g0＝0，假设给其加偏置电压20V，现在入射到光敏电阻上的极限照度为多少？

负载电阻为0时，光敏电阻流过的电流为最大。

习题15

设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求排除光源的不稳固性因素的阻碍。

⑴绘出工作原理图。

⑵绘出原理框图。

⑶说明工作原理。

⑴工作原理图

⑵原理框图

⑶说明工作原理：

①在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平稳状态。

②当插入被测样品以后，测量通道的光通量减少。

现在假设移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就能够够使二个通道从头达到平稳。

③光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。

④如此，光屏或指针的位置确实是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。

习题16

设计一台有合作目标的光电测距装置。

说明工作原理。

⑴半导体激光器作辐射源A，假设在激光器供电电路中外加谐波电压U0就能够取得接近正弦的辐射光波，其初始相位和鼓励电压U0相同。

⑵在B点设置一个反射器（即协作靶），使从测距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波来回一次的相位转变进行测量。

⑶相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数△φ，即只能确信余数△m，因此当L大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。

当距离小于LS时，即m=0时，可确信距离为：

习题17

1、光学目标是什么？

不考虑被测对象的物理本质，只把它们看做是与背景间有必然光学反差的几何形体或图形景物。

2、简述黑白激光打印机的工作进程。

⑴打印机接收到运算机命令和打印数据后（如要求打印字母“B”），在打印操纵器或PC处置器的作用下将待打印文本/图形转换为光栅位图数据，同时生成操纵激光扫描器动作的脉冲电信号。

⑵在脉冲电信号的操纵下，激光扫描器向感光鼓表面的指定位置发射激光，激光束定位工作由发射棱镜的转动来辅助完成。

感光鼓表面受到照射的区域，因光敏材料电阻发生转变，致使原有的正电荷消失。

如此，感光鼓表面剩下的正电荷就会形成“文字潜影”。

⑶在转动进程中，碳粉盒的墨粉被吸附到电荷潜影区域。

因墨粉带有负电，在静电吸引力下就会被附着在感光鼓的潜影区域，形成墨粉组成的影像。

⑷送纸机构将打印纸送入，在那个进程中打印纸会带上