光电检测技术A卷及答案.docx

1、光电检测技术A卷及答案电子科技大学二零 零九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试 光电检测技术 课程考试题 A 卷 （ 120 分钟） 考试形式： 开卷 考试日期 2010 年 6月29 日课程成绩构成：平时 20 分， 期中 0 分， 实验 分， 期末 80 分一二三四五六七八九十合计复核人签名得分签名一、计算（共28分，共3题）1、如图1所示，是转速测量系统，已知圆盘的孔数为N，光电探测器输出的脉冲信号频率为f，求转轴的转速n（单位为r/min）。（8分）图1 转速测量系统1、转轴的转速为：2、已知本征硅材料禁带宽度Eg1.2eV，求该半导体材料的本征吸收长波限；已知某种光电器件的

2、本征吸收长波限为1.4m，求该材料的禁带宽度。（8分）3、设被测距离最大范围为10km,要求测距精度为1，而各测尺的测量精度为1，试给出测尺的个数以及各测尺的长度和频率。（12分）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）5、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）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）(a) (b)图2 光敏电阻偏置电路7、如果硅光电池的负载为RL，画

3、出它的等效电路图，写出流过负载RL的电流IL方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（10分）8、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） 三、论述题（共26分）9、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）10、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理(同时画出原理图)及工作过程（必须写出浓度表达式）。（14分）一、计算题1、转轴的转速为：2、 则长波限为：1.03um，材料的禁带宽度为：0.887ev3、被测距离最大范围为：10KM，所以最大尺子的量程至少为：10KM，此尺子能精确测到：10KM110m。因为要求测距

4、精度为1cm，尺子的测量精度为1，所以最小量程的尺子为：1cm/110m纵上述，测量至少需要两把尺子：一个L0=10KM，其对应的工作频率为：15KHZ另一个L0=10m，其对应的工作频率为：1.5107HZ二、简答题1、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有关，减小，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，

5、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：减小负载电阻；减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。3、都属于共射极电路，(1) (2)4、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）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i0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

6、路时两端的开路电压，以VOC表示，由式（1）解得： （2）.。（4分）当IpIo时， 当RL0（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IscIpSeE （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。 5、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

7、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。三、论述题1、在外差探测中，因为信号光和本征光的功率分别：,而中频电流输出对应的电功率为：，其中为光电探测器的负载电阻。所以， （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： （2）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

8、为载频的光频信息转换到以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 （3）把（1）和（2）式代入（3）中得到： 通常在实际应用中，因此M1, M的大小和的量值有关。例如假定，那么在不同的值下，M值将发生明显变化。列举数值如表1所示：表1 M的大小和的量值PS(w)10-310-410-510-610-710-810-910-1010-11M110102103104105106107108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

9、分高的转换增益。例如，在PS=10-1010-11w量级时，M107108，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高107108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。2、原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比溶液S1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。系统输出电压为： 式中，C0为比例常数；为PD1上产生的光电流；为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，、为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，则K1K2，故上式可变为： 由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故 可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5分） （8分）忽略此处.