简答题光电检测技术期末整理.docx
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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，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：
（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
CCD的像敏单元上；汇集到界面附近形成电荷
（MOSfe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，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。
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,
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。
）
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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T有关，减小T,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）
w
R:
九41喇曲器电览
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,lsc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:
（4
从图（b）中可以得到流过负载Rl的电流方程为:
其中，Se为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Iso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=m（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：
当Ip》Io时，Voc（kT/q）ln（lp/|。
）
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）
h計疣痢M中」園商信訓和刑I比的戊剌说：
A=^:
/2
而中频电流输出对应的电功率为：
珀“匸氐，其中RL为光电探测器的负载电阻。
所以，
片=4严齐為讨+如-住）]R]-201吋业
（1）
这里的横线是对中频周期求平均。
在直接探测中#探测器输出的电功率为：
昂=1；並=住PjRi
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3S为载频的光频信息转换到以3IF
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:
M严
打
通常在实际应用中，PL>>PS因此M>>1,M的大小和PS的量值有关。
例如假定PL=
0.5mw，那么在不同的PS值下，M值将发生明显变化。
列举数值如表1所示：
41財的*小却耳的旦價
P3
i（r
1OJ
10"1
icr1
IO10
104L|
i
10
ld;
1沪
iof
io5
:
n'
10
10B
从表1的数值举例中看出，在强光信号下，外差探测并没有多少好处，在微弱光信号下,
外差探测器表现出十分高的转换增益。
例如，在阳10叫10叫量级时，
也就是说，夕卜差探测的灵敏度比直接探测将高|1说.肮口量级，所以我们可以
说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。
三、简答：
（每小题6分，共30分）
1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点？
对工作电源有什么要求？
半导体激光器（LD）工作原理：
半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细
加工磨成解理面而构成谐振腔。
半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，外
加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合产生能量释放，部分以光的形式释
放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。
特点：
体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从
几mw到几百mw，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。
对工作电源的要求是稳定
2、光源选择的基本要求有那些？
①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。
按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所
不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。
有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。
系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。
2光对光源发光强度的要求。
为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强
度应有一定的要求。
光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不
必要的能源消耗而造成浪费。
因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进
行正确估计，并按估计来选择光源。
3对光源稳定性的要求。
不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。
通常依不同
的测试量来确定。
稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。
当要求较
高时，可采用稳流电源供电。
所用的光源应该预先进行月化处理。
当有更高要求时，可对发
出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。
4对光源其他方面的要求。
光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。
如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足。
3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点？
采用阳极接地，负高压供电。
这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布
参数也较小。
可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10〜20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。
如果靠近管
壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。
采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小
的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。
可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。
5、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？
它必须在哪种偏置状态？
为什么？
因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下
产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。
四、论述题（45分）
2.在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：
一种是从负载电阻RL上取得电压U0,另一种是从二极管两端取得电压U0b叙述两种方法的特点及它们之间的联系。
（10
Rl上取得电
分）
2、在“反向偏置”电路中，两种取得输出电压Uo的方法：
一种是从负载电阻
压Uo,如图a所示，另一种是从二极管两端取得电压Uo,如图b所示。
（1）对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即Ub=lLR.，而对于b）图，光电信号是
间接取出的，Ub=UC-IlRl；（3分）
⑵两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的；（3分）
（3）这两种方法只适合照射到P—N结上的光强变化缓慢和恒定光的情况，这时光电二极管的
结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。
（2分）
（4）当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的
恒定光时不利的。
（2分）
1在光度单位体系中，基本单位是如何定义的。
什么是光视效能？
在光度体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉（1
分）。
定义为一个光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，如果在一给定方向上的辐射强度为
1坎德拉（2分）。
光度量和辐射度量之间可以用光是效能与光视效率联系起来。
光视效能描述某一波长的单色
光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。
即光视效能K定义为同一波长下测得的光通
4说明光子效应和光热效应各自特点。
1.光子效应：
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的改变。
（2分）
特点：
光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
（1分）
2.光热效应：
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。
（2分）
特点：
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
（1分）
（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。
）
二简答题，共30分，每题6分（要求简单扼要）
1光电探测器性能参数包括哪些方面。
（得分点：
回答为什么制定性能参数得2分，具体参
数每两个得1分，共4分，本题总分6分）
为了评价探测器性能优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据具体需要合理正确选
择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。
通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。
2光子效应和光热效应（给出两种效应的概念得2分,给出两种效益的特点得2分,对两种效能的探测器时间特性能进行简单说明得2分）
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h，h是普朗克常数，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。
3请简要说出InSb和PbS光敏电阻的特性。
（得分点：
每种光敏电阻有1分，写出光敏电阻
的主要参数得4分，本题总分6分）
（1）PbS近红外辐射探测器，波长响应范围在1〜3.4卩m峰值响应波长为2卩m,内阻（暗阻）大约为1MQ，响应时间约200卩s
（2）InSb在77k下,噪声性能大大改善，峰值响应波长为5卩m,响应时间短（大约50X10-9S）
4为什么说光电池的频率特性不是很好？
（得分点：
2个因素，每一个得分3分，本题总分6
分）
答：
光电池总的来说频率特性不是很好，这是由于两个方面的原因：
第一,光电池的光敏面一般做的较大，因而极间电容较大；第二，光电池工作在第四象限，有较
小的正偏压存在，所以光电池的内阻较低，而且随入射光功率变差，因此光电池的频率特性不好•
1、温度变化与自发极化强度有何关系？
答：
晶体的整体温度的微小变化△T产生自发极化强度Ps的变化可表示为△一Ps=~PAT式中
卩为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2,3）Pi=dPsi/dT（单位c/怦k）
在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps,晶体
内部电荷中和束缚电荷的平均时间疋=£/r这里£为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，
多数热释电晶体疋值在1——1000s之间。
2、热电势探测器能否测量直流信号？
为什么？
答：
用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7――15卩m人体辐射为9卩m图中被测
物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为？
的红外光照摄热释电晶
体，当？
>1/T时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT/dt，极化强度Ps对时间的变化率为dPs/dt，电极面积为A,贝UAdPs/dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。
3、硅光电池为什么使用梳状电池？
答：
梳状电极：
大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减
少表面接触电阻。
4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？
答：
无光照时反向电阻很大（MQ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KQ到几百欧，当负偏压增加时
耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。
光敏二极管的缺点：
暗电流较大
为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结
的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所
以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。
5、两种高速的光电二极管的结构特点和原理？
（PIN、APD
答：
PIN光电二极管结构特点：
P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I
增加I区优点：
（1）因为I区相对的P区和N区是高阻，在反偏的工作情况下，它承受极大部分电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大
（2）又因
为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压，使PIN结的耗尽层加宽，电场强光生电
流加速因而大幅度减少了载流子在结构内漂移时间元件的响应速度加快
电路特点：
反偏电压高
APD光电二极管结构特点：
在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在高
电场作用下，电子从高速通过P层产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对，并且它们也从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批新生电子
6、光纤传感器种类？
答：
光纤传感器一般可分为两大类：
一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利
用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。
另一类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感器，它是利用其他敏感元件感受被测
量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自于远处或难以接近场所的光信号，因此，
也称为传光型光纤传感器。
8、光电导效应：
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发生了变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势等）的现象称为光电效应。
外光电效应：
是指受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。
内光电效应：
是指受到光照射的物质内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的
现象。
光电导效应：
半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子显著增加而电阻减小的现象。
光生伏特效应：
光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光电动势。
本征光电导效应：
只有光子能量m大于材料禁带宽度Eq的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应现象
光热效应：
某些物质受到光照后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象
温差电效应：
由两种材料制成的结点出
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