玉林师院光电子学期末复习分解.docx

1、玉林师院光电子学期末复习分解玉林师院光电子学期末复习第一章1.为了衡量光源和光电探测器的性能，需要对光辐射进行定量描述，故引入辐 射度学与光度学。2.光谱光视效率 或视见函数：人眼对各种光波长的相对灵敏度3.人眼只能感知波长在 0. 38 0.78 卩m之间的辐射，故称这个波段的光为可见光。（对绿光最灵敏，红光、蓝光次之）。4.光通量：、： 单位时间内通过某截面的所右光波长的光能称为光通量，单位为 Im（流明）。d：5.发光强度Iv : lv=d v，单位为cd （坎德拉），1 cd=1 lm/sr。发光强度Iv是光度量中最基dQ本的单位。6.（简）卤钨循环的过程：卤钨灯点燃后，高温下卤族元素

2、的化合物释放出溴或碘蒸气，灯丝蒸发出的钨分子在温度较低的泡壳附近与溴或碘化合， 形成的卤化钨在灯泡内扩散。 当扩散到高温灯丝附近，又分解，使钨分子又有很高的机率重新粘在灯丝上。7.（简）气体放电原理：气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳 极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原 子受激，内层电子跃迁到高能级。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。8.（选）（1 ）低压汞灯 ： 主要辐射253.7 nm的紫外光，用作紫外光源。当在其管壳外再加一个管壳， 壳内壁涂以合适的荧光粉时， 253.7 nm紫外光激发荧光粉发出可见

3、光，这就是荧光灯。照明用的日光灯就是荧光灯中的一种。（2） 高压汞灯：汞蒸气气压为（110） x105 Pa。由于气体密度大，除了受激原子的辐射发光， 还有电子与离子的复合发光，激发原子与正常原子的碰撞发光；因而，可见区的辐射明显加强，呈带 状光谱，红外区出现弱的连续光谱。在高压汞灯外再加一个荧光壳，就成为高效照明光源。（3） 球形超高压汞灯 ：汞蒸气气压为 1 - 20 MPa电子与离子复合发光、激发原子与正常原子碰撞发光更加强烈。光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。球形超高压汞灯中，两电极相距在毫米量级，如图 1.9所示。球形超高压汞灯亮度高，是很好的点光源。（4） 氙灯

4、：氙灯的发光材料是惰性气体氙。高压和超高压的惰性气体放电，气体原子被激 发到很高的能级并大量电离。复合发光和电子减速发光大大加强，在可见区形成很强的连续光谱。光 谱分布与日光最为接近，色温 6 000 K,亮度高，被称为“小太阳”，寿命可达 1 000 h。 氙灯可分为长弧氙灯（电极间距为 15130 cm,细管形，工作气压为 105Pa）、短弧氙灯（电极间距在数毫米量级，工作气压为 12 MPa是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。）和脉冲氙灯（管内气压在 100 Pa以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间（10-910-12 s ）内发出很强的光

5、。脉冲氙灯广泛用于固体激光器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。）。9.激光器一般是由工作 物质、谐振腔 和泵浦源 组成的。10.激光器特点：高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性。11.（重点）光和原子的三级跃迁：（1） .受激吸收：处于低能级 E1的原子受到外来光子（能量 ；=hv=E2 -巳）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级 E2的过程。受激吸收特点： 处于低能级 E1的原子受到外来光子的刺激作用， 完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程（2） .自发辐射：高能级的原子自发地从高能级 E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为.；：=hv = E2 -巳 的光子自

6、发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程（3） .受激辐射：当受到外来的能量 :二hv = E2 -巳的光照射时，高能级 E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级 E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射的特点：当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射。受激辐射的光子 与外来光子的特性完全相同，12.产生激光的条件：1 ）合适的工作物质（能实现粒子数反转；具有合适的能级结构（亚稳态能级）2） 具有外界泵浦（外界激励）3） 需要激光谐振腔4 ）起振条件一一阈值条件 GGO5）稳定振荡条件一一增益饱和效应13.染料激光器的

7、主要优点 是：输出激光波长可以在很宽范围内调谐；有极好的光束质量；激光谱线宽度很窄，可达 10 -50 MHz线宽。14.（空）电子共有化运动：原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上 去。15.（空）能带：共有化运动使得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异。它们的势能具有 晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带。16.（选）（1） N型半导体：掺人施主杂质的半导体材料中，自由电子的浓度将高于空穴的浓度。（2） P型半导体：掺入受主杂质的半导体材料中，空穴的浓度将高于自由电子的浓度。17.PN结加上正向电压时，正向电压基本上加在结区，使势垒降低。

8、18.LED （发光二极管）与 LD （半导体激光器）的 根本区别 在于：LED没有谐振腔，它的发光基于自发辐射， 发出的荧光，是非相干光；而LD的发光基于受激辐射，发出的是相干光一一激光。m远的白色漫反射屏上， 该漫反射屏的反射比为 0.85，求该屏上 的光亮度。2l =10m, r =0.00051.4 一支H。-Ne激光器(波长为 632.8 nm)发出激光的功率为 2 mW该激光束的平面发散角为1 mrad，激光器的放电毛细管直径为 1 mm1求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。2若激光束投射在 10解：已知：-1m rad，光通量: =KmV =683 0.265 2

9、10lm =0.362lm= 0.85 v第二章光辐射的调剂1.光辐射调制是用数字或模拟信号（调制信号）改变光波波形的幅度、频率或相位，使其按调制信号 规律变化的过程，可以比非调制光具有更高的抗干扰能力。2.光辐射的调制方法有 内调制和外调制。外调制器，比较成熟的有 电光调制、声光调制、磁光调制等。3.（选）（1） .电光效应：在外加强电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有 双折射性质的晶体，它的双折射性质也要发生变化。（Pockels）:折射率的改变与所加外电场的（2） .线性电光效应（一次电光效应）或泡克尔斯效应 大小成正比的电光效应。（3） .二次电光效应或克尔

10、 （Kerr）效应：在强电场作用下会变成光学各向异性体，且外加电场引起 的折射率的改变与电场强度的平方成正比的电光效应。3.（空）63产生纵向电光效应时，半波电压：U 2 3 ，n。为KDP负单轴晶体的：光折射率，63扎 2n?63为电光系数。4.（空）63产生横向电光效应时，半波电压：缶甘；*为负单轴晶体的光折射率，63为电光系数。6.光波导通过在电光材料（通常是铌酸锂）衬底上扩散折射指数较高的一种材料（通常是钛）构成波导。在波导两边做上电极，调制电压即通过电极加到光波导上。由于光波导宽度极窄，远小于长度 L，所以半波电压很小，可为几伏。这种调制器的频率可达 100 GHz在波导的输入、输出

11、端，光通过单模光纤与波导耦合。7.超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的 变化，这就使得介质折射率也发生相应的变化。8.声光效应： 受超声波作用的介质相当于一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长 入s。当光波通过此介质时，将被光栅衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。9.声光效应分为两种类型： 拉曼一奈斯（Raman_-Nath）_衍射和布拉格_（Bragg）_衍射。10.磁光效应主要有 法拉第效应 和克尔效应。11.法拉第效应 是光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象， 称为磁致旋光。12.（填）磁致旋光

12、的方向决定于磁场方向，而与光的传播方向无关，称为 非互易性。以顺着磁场方向为基准，光矢顺时针旋转的叫 右旋（K0），对应介质称为正旋体；光矢逆时针旋转的叫 左旋（K0），对应介质为负旋体。13.法拉第效应 非互易性 的直接应用是 光隔离器，是光通信系统中必不可少的器件。14.法拉第旋转决定于轴向电流磁场。因而，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制 光振动面的旋转角，使通过W:的光振幅随口角的变化而变化，从而实现光强调制。第三章光探测器1.（空）光探测器是将光信号转转变为电信号的关键器件。2.（空）光探测器的物理效应主要是 光热效应 和光电效应。3.（空）光热探测器对光辐射的响应 由

13、两个过程：首先，器件吸收光辐射能量而自身的温度发生变化;然后器件再在依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号，从而达到光辐射 探测的目的。4.（空）光热探测器的特点 ：在很宽的波长范围（从紫外到 40 以上）内，其相应灵敏度与光波波长无关。5.光电效应分为 光电导效应、光伏效应、光电发射效应 等。6.本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，这一过程称为 本征吸收。此时总的载流子浓度就比 热平衡下的载流子浓度要大，增加的载流子称为 光生载流子本征吸收只决定于半导体本身的性质。产生本征吸收的 条件是，入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度，即 hv _ Eg或h c _

14、 Eg ,式中，h是普朗克常数，c是光速，入是光波波长。最小光子能量为： hvc = h Eg ,匕为长波限。7.掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可 以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为 杂质吸收.8.光照时多子浓度几乎不变， 少子浓度却大大增强， 故一切半导体光电器件对光的响应是少子的行为 .9.载流子复合的过程分为 直接复合和 间接复合两种。10.光电导效应：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料 电导率的变化的现象。11.（空）无光照时，材料具有一定的电导，称为 暗电导；相应地，有光照时的电

15、导为 亮电导。如果外电压为U,则通过样品的电流也有暗电流和亮电流之分。亮电导和暗电导之差称为 光电导，亮电流和暗电流之差称为 光电流。以G表示电导，b表示电导率，I表示电流，下表 d代表暗，P代表光， 不加下标时表示亮。12.光电导材料从光照开始到获得稳定的电流是需要一定时间的。同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失的，这个过程称为光电导 张弛过程_，其原因是非平横载流子的产生与复合都不是立即完成的。13.当t= t时， n上升到稳态值的 0.63，则称t光电导张弛过程的 上升时间常数。当t= t时， n下降到稳态值的 0乙，则称t光电导张弛过程的 下降时间常数。可见，光电导张弛过 程的时间常数

16、就是载流子的寿命 t。14.载流子的寿命 t决定了光电导的上限截止频率（或 3dB带宽），用fc表示。15.光伏效应：当半导体 PN结受光照时，光子在结区（耗尽区）激发出电子 -空穴对。在自建电场的16.光子所产生的电子 -空穴对被自建电场分离，空穴流入 P区，电子电子流向 N区，使得耗尽区宽度变窄，接触电势差减小。此时，接触电势差和热平衡时相比，其减小量即是光生电势差。这样，入射此光照下PN结的电流方程为： | =|0eqU kT _（|0一|十）若入射光的辐通量为 ，光电流灵敏度为 S,则光电流为 ：|：.：_, = S：在短路（Rl =0 ）的情况下，U=0,得到短路电流Isc为：|sc

17、即短路电流与光电流值相等，与入射光辐通量成正比。在开路（Rl ）的情况下，I = 0 ，得开路电压 Uoc :Isc和Uoc是光照下PN结的两个重要参量。17.某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应， 又称外光电效应。光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基础。18.金属材料的电子逸出功是从费米能级算起至真空能级之间的能量差。对于半导体光电发射材料，电子逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需要的最低能量 Eg ，另一部分是从导带底逸出表面所需的最低能量 ，一般称为材料的亲和势 EA。19.一个良好的光电

18、发射体应具备的三个 基本条件：光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大。 20.对于金属光电发射材料，光电发射过程是：金属中的电子吸收光子后获得动能，在向表面运动过程中，因碰撞而损失部分能量，到达表面的电子克服势垒而逸出21.表面真空能级位于导带之上的光电材料属 正电子亲和势（PEA）类型。PEA的阈值波长he 1 24max 。但若给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲 ，真空能级降到maX Eg EA Eg EA导带之下，从而使电子亲和势为负值，经这种特殊处理的材料称作 负电子亲和势材料 （NEA） , NEA的21.光电探测器

19、在进行光电转换过程中，噪声使探测器输出的电流或电压信号在平均值附近随机地、 瞬间幅度不能预知地起伏。虽然无法预先用确知的时间函数来描述噪声，但噪声本身是统计独立的，能用统计的方法来描述。 般用均方噪声电流i：或电压u；表示噪声值的大小。通常把噪声这个随机的时间函数进行付里叶频谱分析，得到噪声功率随频率的变化关系，即噪声功率谱。 常见有两种典型情况：一种是功率谱大小与频率无关的噪声 ，称白噪声；另一种是功率谱与成反比，称1/ f噪声。22.光探测器中的噪声主要有 ：热噪声、散粒噪声、产生 -复合噪声、1/ f噪声、温度噪声。23.光电探测器噪声功率谱分布可用图表示。 当频率很低 时，1/f噪声起

20、主导作用；频率达到 中间频率范围时，产生-复合噪声较显著；当频率较高 时，白噪声占主导地位 24.（选）当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电 器件上的光通量 的关系l=F（）称为光电特性，光电流I与光电器件上光照度 L的关系I=F（L） 称为光照特性。光电特性或光照特性的线性度是一重要参数。 线性度是指探测器的输出光电流与输入光的辐通量成比例的程度和范围。线性区的下限往往由暗电流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应或过载决定。25.（选）光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。光电流 I或输出电压U与入射光波长的关系 | ,U 称为光谱特性。26投射到探测

21、器响应平面上光辐射通量所产生的信号电流 I （或电压U）等于探测器无入射辐射时探测器本身的均方根噪声电流（或电压）时的光辐射通量，叫做探测器的最小可探测功率，也称为 等效NEP越小，探噪声功率 NEP即 NEP ,NEP 一 ,式中I 飞,U . u称为信噪比。NEP的倒数，即1 SiD = = ： = D 表明NEP | 盗1/曲 卩八応测器能探测到的最小辐射通量就越低，性能就越好。为了与人们的习惯一致，通常用探测率D作为探测器探测能力的指标，单位为 1/W。探测率D的表达式为探测单位入射功率时的信噪比，其值越大越好。27.对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿 ，通常用响应时间来衡量

22、探测器的惰性 。如果方波光信号频率过高，探测器的响应将严重失真。28.热释电探测器 是一种新型的光热探测器，它是基于热电晶体的热释电效应来探测辐射能的器件。29.（简）光电导器件：利用半导体光电导效应制成的光电探测器。30.（简）结型器件和光电导器件的主要区别 ：1） 产生光电变化的部位不同。光敏电阻那一部分受光，受光部分电阻就减小；而结型器件，只有照 射到PN结或结区附近的光才能产生光电效应。2） 光敏电阻没有极性，工作时必须外加电压，而结型光电器件有确定的正负极，在没有外加电压下 也可以把光信号转换成电信号。3） 光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，张弛过程的时间较

23、长，频率 响应较差；结型器件的光电效应主要依赖于结区非平衡载流子中部分在录制的漂流运动，电场主要加 在结区，张弛过程的时间相对较短，因此响应速度较快。4） 有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此，灵敏度较高, 也可通过较大的电流。31.第三象限是反偏压状态，这时， Id - -1，是普通二极管的反向饱和电流， 现在被称为 暗电流（对应于 G =0 ），数值很小，光电流 I：.：，是通过器件的主要电流。反偏压下的工作方式被称为 光电导模式，工作在这一区域的器件被 称为光敏二极管。32.光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的结型光电器件。33.PIN光电

24、二极管结构特点：在掺杂浓度很高的 P型半导体和 N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体I。34.PIN管的工作特点：PN结内电场就基本上全集中于 I层，从而使 PN结的 间距拉大，结电容变小。又因工作在反偏，随反偏电压 增大，结电容变得更小，从而提高了 PIN管的频率响应.35.APD （雪崩光电二极管）工作原理 ：在高的工作电压约 100200V（接 近于反向击穿电压 ）下，结区内电场极强（10 5 V/cm），光生载流子在这种强电场中得到极大的加速，碰撞晶 格原子使其电离，更多的粒子在电场中再获能再碰撞 ，引发出PN结内电流急剧倍增（内增益），即雪崩反应使光电流放大。36.光电三极管和

25、普通晶体管类似，也有电流放大作 用。只是它的集电极电流不受基极控制，而是受光控制。工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。37.光电三极管的工作有两个过程 ：一是光电转换，二是光电流放大。 以3DU型为例：光照射在集电结上，产生电子-空穴对。由于集电结反向偏置，光生电子漂移到集电极，空穴流向基区，这就是 光电流I。光生电动势使基极与发射极间电压升高，于是发射极便有大量电子经基极流向集电极，使光电流得以放大。放大原理与普通晶体管相同， |被放大3 （晶体管电流放大系数）倍。 由此可见，光电三极管的光电转换部分 在集-基结内进行，而集电极、基极、发射极又构成一

26、个有放大作用的晶体管。因此，NPN光电三极管可用图所示的简化模型表示，它由一个硅光电二极管 和普通晶体管组合而成。38控制电路 ：作光控继电器用的光电三极管工作在亮、暗两个状态，要求两个状态下转换的电信号 差别大，使继电器灵敏而准确地工作。无基极引出线的硅光电三极管的突出特点是无光照时集电极电 流基本为零。故多用作光控继电器（1）电流控制 ：光电三极管的光电流是晶体管的基极电流。在亮、暗情况下光电流显著改变，使晶体管分别处于饱和、截止状态，使 J动作。（2 ）电压控制光电三极管与 R 1分压，控 制晶体管基极电压，使晶 体管导通或截止。39.光电耦合器是发光器件和光接收器件组合的一种器件。40

27、.（空）光电管 由玻壳、光电阴极 和阳极 三部分组成。了可测的直流光通量的最小值，同时它也是产生噪声的重要因素 。光电倍增管中产生的暗电流的因素较多，例如，阴极 和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；阳极或其它电极 的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射等。作业:0.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器中,3.9探测器的 D*=1011cm Hz1/2 W-1,探测器光敏器的直径为 它能探测的最小辐射功率为多少？带入各参量，可得NEP=3.13 10J0W3.10应怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？答：热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的

28、现象成为热释电效 应。由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。3.11某测辐射热计的热导是 Gt =6 10“ W K,吸收系数为 =0.8，求吸收5 WV辐射功率后产生的温升。若电阻温度系数 = -0.04K 求吸收辐射所引起的的电阻相对变化率。解:讥.8 5 1f=0.67KR =0(RGt 6 10t T - -0.04 0.67 - -0.02683.12设TGS热释电器件的数据为： 灵敏面面积A =1mm2,热释电系数为2 10*C/cm2K,=1,调制频率 f =10 Hz, Gt =6 10W/K,热熔 Ct =1.64 10J/K,电路负载电阻 R

29、=7M,热势电器件的等效电容 C=22pF,求电压响应率Su =?解：由于G64叮严Gt 6 勺0 3e =CR =22 10 42 7 106 1.54 10,所以 S A 1 2 1 2Gt1, 2 1 2代入数据SU =85伏/瓦用Cd$光敏电阻控制继电器.灵峨度=2*10S/lx,维电器线圈电阻足1KQ,吸合电流足加川使继电器吸合所需的星小熾度足多少？若便继电器& 200lx时吸和*则需改变线圈电阻问此时继电器电阻最人为多少？（弱光照射条件） 8分）解:1） 要使继要使继电器吸 敏电电阻上分配的 电U = 12- 4 X103 X2 X10-3 = 4伏3I 2x10由光敏电光敏电阻的

30、I二SgUL，可得L -6 250 Lxg SgU 2心06沢42） 要使继要使继200lx时吸合，此 时光敏电阻分配的电配的电压为32 102 10-6 200这时继电器分配的电压为12-5 = 7伏,从而继而继电器的电阻最大为為=3歸3.15光敏电阻用作光控继电器。 如图给出一个光控开关电路。 光敏电阻为 Cds器件。晶体管的继电器K的吸合电流为 10mA, R = 100 1。考虑弱光照情况，计算继电器吸合许多大照度？（测得L=0 lx 时，Rg =100M1 ;L=100 lx 时，R, =50K1 ,其中 Ub=12V ）解：要使K吸合，Rg需提供光电提I =1 k /廿0.2mA由

31、图可知，本题知，本题情光照，I与L是线线性关系，SgUL。1 1 由Sg的定义Sg =纶=辰逼五远 92勺0S（lx rg r L 100光敏电敏电阻上的 电压U =Ub-0.7-100X10X10 10.3V从而使继而使继电器吸的照度等于L二丨二0.2X1 =97lxSgU 0.2 X10-6 X10.33.17叙述光电池的工作原理以及开路电压、 短路电流与光照度的关系。为什么光电池的输出与所接的负载有关系？（1 ）光电池工作原理光电池是一个简单得 PN结。当光线照射 PN结时，PN结将吸收入射光子。如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在 PN结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向