1、光电技术综合习题解答,一、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号）, 在光电倍增管中，产生光电效应的是（A）。A阴极B阳极C二次发射极 D光窗 光电二极管的工作条件是（C ）。A加热 B加正向偏压C加反向偏压D 零偏压, 在光电倍增管变换电路中，要想获得理想的信噪比（压低噪声），较小的暗电流，适应的灵敏度和较高的稳定度，可以适当地（ B）。 A增加末三级并联电容的容量 B 降压电源电压 C减小末级倍增极与阳极间的电压 D增加阴极与第一倍增极间的电阻阻值 硅光电池在（ D）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。 A开路 B自偏置 C零伏偏置 D反向偏置 硅光电池在
2、（B）情况下有最大的功率输出。 A开路 B自偏置 C零伏偏置 D反向偏置,辐射通量，光通量，发光强度，光照度的单位分别为（ A ）。(A)瓦特，流明，坎德拉，勒克司 (B) 瓦特，坎德拉，勒克司，流明(C)流明，瓦特，瓦特每球面度，瓦特每平方米 (D)流明，瓦特，勒克司，坎德拉 在入射光辐射下，半导体的电导率增加的现象属于（ C ）。(A)外光电效应 (B)光热效应(C)光电导效应 (D)光生伏特效应, 在光电倍增管变换电路中，要想获得理想的信噪比（压低噪声），较小的暗电流，适应的灵敏度和较高的稳定度，可以适当地（ B）。 A增加末三级并联电容的容量 B 降压电源电压 C减小末级倍增极与阳极间
3、的电压 D增加阴极与第一倍增极间的电阻阻值 硅光电池在（ D）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。 A开路 B自偏置 C零伏偏置 D反向偏置 硅光电池在（B）情况下有最大的功率输出。 A开路 B自偏置 C零伏偏置 D反向偏置,二 填空题1 描述光电探测器光电转化能力的是量子效率。2 任何物质，只要温度高于绝对零度，都具有发射辐射的能力。3 利用温差热效应制成的红外探测器为热电偶。4 热释电探测器只能适用于交变光信号的探测和局里温度以下。5 CCD的基本功能为电荷存储和电荷转移。6 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。7 光伏器件有光伏工作模式和光导工作模式两种工作
4、模式。,三 简答题1光子探测器与热探测器的区别。分别列举三种以上常见光探测器以及热探测器。2 辐射度量与光度量的区别是什么。一句话回答。3 光电发射器件与内光电器件的区别。4 光电导器件与光生伏特器件的区别。5 光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的。由你目前的学习，回答光电探测器的性能参数有哪些。6 热辐射探测器通常分哪两个阶段。补充：热释电探测器的原理 什么是塞贝克效应什么是汤姆逊效应热敏电阻的分类以及应用,三 简答题7 光电倍增管由哪几部分组成。补充：光电倍增管的短波限和长波限分别由什么决定？电子光学系统的作用。光电倍增管的倍增极有哪几种结构？各有什么特点。光电倍增管的暗电流有哪
5、些，阴极接地或者阳极接地哪种暗电流更小？8 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。9 光生伏特器件有几种偏置电路？补充：PIN光电二极管和雪崩光电二极管分别是为了提高光电二极管的什么性能参数？10 黑体的定义，简述一种黑体模型的制作方法。11 光调制的目的是什么？有哪些方法。 12 为什么光照度增加到一定强度以后，光电池的开路电压不再随光强增大13 光电系统由哪些部分构成，简述每部分的作用。,第一章第1题、在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为0.5 cm2，若照度计测得的最大照度为100(lx)，试求,1、 标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？2、钨丝灯
6、所发出总的光通量为多少？,解：首先计算光电探头对标准钨丝灯所张的立体角 再计算光电探头所接收的光通量 v=EvS=1000.5 cm2=5.010-3(lm) 因而可以计算出灯在该方向上的发光强度Iv Iv=v/=5.010-3/1.2510-5=400(cd),标准钨丝灯在整个球面空间各向同性发光，因此，灯所发出的光通量为,第一章第2题、某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328m的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为0.96，设光速C= 3108m/s，普朗克常数 h = 6.62610-34js ，氦氖激光的视见函数V(6328) = 0.268，
7、,试求：（1）幕的光照度为多少lx？ （2）幕的反射出射度为多少lx？ （3）幕每秒钟接收多少个光子？,解：先将氦氖激光器输出单色辐射的辐射功率转换为光通量v v=KmV()e=6830.268610-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度应为 Ev=v/S=1.098/0.810-4=1.37104 (lx)幕的反射光照度为 Evr=r Ev=0.961.37104 =1.32104 (lx)幕每秒钟接收的光子为,（个/秒）,第一章第3题、今测得某液态金属辐射体的光谱辐射峰值波长m=0.7245m，试求该液态金属的温度T、峰值光谱辐射出射度Me，S，m和总辐射出射度Me各为多少？,解：根据
8、维恩位移定律，有 m=2898/T 因此得到液态金属的温度T为 T =2898/0.7245 =4000(K),再根据斯忑潘-波尔兹曼定律得到液态金属的峰值光谱辐射出射度Me，S，m和总辐射出射度Me分别为 Me,s,m= 1.30910-18T5 = 1.34(Wcm-2nm-1) Me=T4 = 5.6710-1240004 = 1.45103(W/cm2),例题,例2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30
9、到100lx之间的值不变）,试求：（1）输出电压为7伏的照度为多少勒克司？（2）该电路的电压灵敏度（V/ lx）。,解 根据已知条件，流过稳压管DW的电流,满足稳压二极管的工作条件,（1）根据题目给的条件，可得到不同光照下光敏电阻的阻值,将Re1与Re2值代入值计算公式，得到光照度在4080lx之间的值,输出为7V时光敏电阻的阻值应为,此时的光照度可由值计算公式获得,E3=54.45（lx）,（2）电路的电压灵敏度SV,例2-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知DW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，设Rb=1k，RC=510, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电压Ubb
10、=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150lx时恒压偏置电路的输出电压为10V,照度为450lx时输出电压为8V,试计算输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在100500lx间的值不变）为多少lx？ 照度到500lx时的输出电压为多少？ 解 分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。 设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值R1，则,同样,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为,R2=680,由于光敏电阻在500到100lx间的值不变，因此该光敏电阻的值应为,当输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值为
11、R3，则,R3=900,代入值的计算公式便可以计算出输出电压为9V时的入射照度E3,E3=196(lx),由值的计算公式可以找到500lx时的阻值R4及三极管的输出电流I4为 R4=214,I4=24.7(mA)而此时的输出电压UO为 UO=UbbI4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7V。,例2-3 、在如图所示的电路中，已知Re=3.3k，UW=4V，Ubb=12V；光敏电阻为RP，当光照度为30lx时输出电压为6V，80 lx时为9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变）,第2章 光敏电阻,试求： 输出电压为8V时的照度为多少lx ？ 解：首
12、先看稳压二极管是否工作在稳压状态，,稳压二极管工作在稳压区；,再求流过恒流偏置的光敏电阻的电流Ip,Ip =Ie=(Uw Ube)/Re =1(mA),计算在不同照度下光敏电阻的阻值光照度为30lx时, R1=(UbbUo1)/ Ip=6( k);光照度为80lx时, R2=(Ubb Uo2)/ Ip=3( k);光照度为E3时, R3=(Ubb Uo3)/ Ip=4( k);,由于,且，光敏电阻在30到100lx之间的值不变,lgE3=( lg3- lg4)/0.7+lg80=1.7246 E3=53（lx）,第三章 光电子发射探测器,例3-1 设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6
13、lm左右，阳极电阻Ra=82k，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解 (1) 首先计算供电电源的电压根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，阳极电流应不小于Iamin，因此,Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为 IK= SKv=4010-60.610
14、-6=2410-6A此时，PMT的增益G应为,由于 ，N=8，因此，每一级的增益=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益与极间电压UDD有， ，可以计算出=4.227时的极间电压UDD,总电源电压Ubb为,Ubb=（N+1.5）UDD=741V,(2) 计算偏置电路电阻链的阻值设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，则 IRi=500A因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。,(3) 计算偏置根据式（4-35）输出信号
15、电压的稳定度最高为,例3-2 某种光电发射材料的光电发射长波限为680nm,试求该光电发射材料的光电发射阈值解 由光电发射长波限为则即该光电发射材料的光电发射域值为1.82电子伏特。 ,光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极灵敏度为50A/lm，要求长期使用时阳极允许电流限制在2A以内。求（1）阴极面上允许的最大光通量。（2）当阳极电阻为75K时，最大的输出电压。 （3）若已知该光电倍增管为12级的CsSb倍增极，其倍增系数 ,计算它的供电电压。 （4）当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度。 解 (1),例3-3,(2)最大的输出电压(3),CsSb倍增
16、极材料的增益与极间电压UDD有,N=12，每一级的增益=4.642,(2)最大的输出电压(3),CsSb倍增极材料的增益与极间电压UDD有,N=12，每一级的增益=4.642,总电源电压Ucc为,Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V,(4) 输出信号电压的稳定度最高为,第五章 光生伏特器件例5-1 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55 +40sint lm时，今要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,解 : 首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值 max=55
17、+40=95 lm min=5540=15 lm在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。,再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即 Uce=2U14V 根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“A”并做垂线交横轴于“C”点，从“C” 向右量14V，找“D”点。由“D”做垂线交入射为最小的特性曲线与“B”。通过“A”、 “B”做直线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb。 显然， “C”点电压为3.7V ，
18、“D”点电压为17.7V 。电源电压Ubb 近似为19V，取标称电压20V。 电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线。,例5-2 在7-6图所示的光电变换电路中，Ubb=12V，已知3DU2的电流灵敏度SI=0.15mA/lx，RL=51k，三极管9014的电流放大倍率=120；,（1）若要求该光电变换电路在照度变化为200 lx的范围时，输出电压变化不小于2V，RC为1K，电阻RB应怎么选择？（2）若RB=5.1M，当背景光的照度为100 lx时，电流I1为多少？输出端的电位为多少？,解：根据题目所给的已知条件和电路图，可以标定出各电流的方向。再由电路，可找到输出电压与入射光照度的关系，即,输出电压变化量为U= ICRC，即,式中I1= SEV， I1= S EV，,当RC为1k时，由上式计算得RB5900 k既满足题目要求。,（2）当背景光的照度为100 lx时，电流I1为,I1= SEV=0.1510-3 100= 15(mA),U0= Ubb IC RC=12 0.35=11.65(v),
