光电检测技术期末试卷试题大全

2023/11/19 | 作者：BOB体育地址

　

　　@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP

　　内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。

　　光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数明显地增加而电阻减少的现象。

　　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生电动势。

　　8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基

　　（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。）

　　12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。

　　（响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。）2、信噪比

　　（光敏电阻两头加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。）

　　（将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。）6、亮态前历效应

　　(亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象)

　　（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）

　　暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢。

　　（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结内电流飞速增加，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。）

　　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）

　　（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。

　　（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，从而大幅度的提升了响应速度。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。）

　　（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。

　　（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。

　　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CCD的像敏单元上；

　　在耗尽层中或距耗尽层为一些范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附近形成电荷包，存储在像敏单元中。

　　即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表明产生不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。）

　　（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

　　（被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，则

　　（补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。）。

　　（四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。）

　　下图为简单的激光准直原理图。用单模激光器作光源。因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒置望远系统L进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。

　　光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出电信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用在所有建筑施工场合作为测量基准线、举例说明光敏电阻的应用

　　光电检测技术课程考试题 B 卷（120 分钟）考试形式：开卷考试日期2009 年6 月

　　2、已知本征硅的禁带宽度E g＝1.2eV，则该半导体材料的本征吸收长波限为（）。

　　5、光电二极管阵列中各单元面积减小，则其信号电流和暗电流同比例减小。（）

　　3、说明为什么本征光电导器件在微弱的辐射作用下，时间显影越长，灵敏度越高。

　　5、光电三极管和普通三极管有什么不同？为啥说光电三极管比光电二极管的输出电

　　3、试问图1-1 (a) 和图1-1(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输

　　3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合

　　五、 简述PIN 光电二极管的工作原理。为什么PIN 管比普通光电二极管好？

　　六、 1200V 负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，若倍增管的阴极灵敏

　　增极二次发射系数均相等(4=δ)，光电子的收集率为98.00=ε，各倍增极的

　　电子收集率为95.0=ε。(提示增益可以表示为N G )(0εδε=) (15分)

　　(2) 设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV ，求放大器的有关参数，

　　七、 简述CCD 的两种基本类型，画出用线阵CCD 测量微小物体(小于100微米)

　　给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。

　　大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，此现状称为光电发射效应，又称外光电效应。

　　导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生明显的变化的现象。

　　反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷于光学量化器的方式和光通信方式的信息变换。

　　六、当光照射p－n结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n 区边界积累光电子，p区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生非常明显的光电效应。其基本结构就是一个p-n结，属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件hv>

　　E g,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。

　　对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，由此减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。

　　CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件（SCCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）。原理：当满足远场条件L﹥﹥d2/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到

　　S——暗纹周期，S=X K/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S测量简图

　　答：①源发光的光谱特性一定要满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也不一样，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。为确保光电检测系统的正常工作，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。不同的光电检测系统对光源的稳定性有不一样的要求。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。当要求比较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。当有更加高的要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。④对光源别的方面的要求。光电测试中光源除以上几条基础要求外；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，这样一些方面都应该根据检测系统的要求给以满足

　　2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?

　　答：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，一定要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

　　3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为何需要把光敏电阻制造成蛇形？

　　答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

　　因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即t dr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。

　　9、为什么结型光电器件在正向偏置时，无显著的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？

　　答：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，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。

　　（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设为在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的最大的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。其最大的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、显示与控制管理系统：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。

　　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R L上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分）

　　(1)对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U0=I L R L，而对于b）图，光电信号是间接取出的，U0=U C-I L R L；(2)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)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。

　　(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。

　　3、如果硅光电池的负载为R L，画出它的等效电路图，写出流过负载I L的电流方程及U oc、I sc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分

　　其中，S E 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，I s0是反向饱和电流，是光电池加反向

　　当i ＝0时，R L ＝∞（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

　　当R L ＝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

　　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

　　1、为什么发光二极管的PN 结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或

　　答：1. p-n 结在外加正向偏压时,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。

　　一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热

　　能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED 的发光

　　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

　　答： 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增大，从而导致材料

　　电导率增大，此现状称为光电导效应，是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非

　　本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN 结时，只要入射光子能

　　量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。光生电子——空穴对就被内建电场分

　　离开来，空穴留在P 区，电子通过扩散流向N 区,这种光照零偏PN 结产生开路电压的效应，

　　称为光伏效应.当光照射到某种物质时，若入射的光子能量νh 足够大，那么它和物质中的电

　　子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。

　　答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导

　　率发生明显的变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶

　　格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）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。按照是否发射电子，光电效

　　应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、

　　光热效应的实质是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

　　与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）

　　没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱

　　成分无关。因为温度上升是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易

　　受环境气温变化的影响。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等

　　答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测

　　器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信

　　电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线

　　答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作

　　在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管

　　必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于

　　答： 当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是

　　路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc ，因为只有短路电流

　　才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到

　　当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电

　　压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；

　　而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻R m 时，电路就处于线性电压输出状态，此时

　　空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时R L>

　　R m 且R L →∞，要求光电池应通过高输

　　(2) 恒流偏置: 在基本偏置电路中，若负载电阻R L 比光敏电阻R P 大得多，即R L>

　　R P ，则

　　这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。

　　?Φ 上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明

　　恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于R L 很大，使光敏电阻正常

　　工作的偏置电压则需很高（100V 以上），这给使用带来不便。为降低电源电压，通常采用

　　式中，S g ΔΦ＝ΔG 是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。

　　从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所

　　以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路

　　答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上一定要保持相同的相位关系。光外差检

　　测只有在以下条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波一定要有相同的模式结构，这

　　②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最

　　③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这在某种程度上预示着两束光一定要保持空间

　　④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，

　　⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它

　　（2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪

　　在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若

　　综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f 噪声起