完整word版,光電檢測技術和應用_郭培源_課后答案

1、范文范例參考光電檢測技術與應用課后答案第1章1、舉例說明你說知道的檢測系統(tǒng)的工作原理。（1）光電檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)領域中的應用：在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配 定位（2）光電檢測技術在日常生活中的應用：家用電器一一數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測 -熱敏電阻、熱電偶遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD 醫(yī)療衛(wèi)生數(shù)字體溫計：接觸式 -熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器辦公商務一 掃描儀：文檔掃描-線陣CCD 紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管（3）光電檢測技術在軍事上

2、的 應用：夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術激光測距儀：可精確的定位目標光電 檢測技術應用實例簡介點鈔機（1）激光檢測一激光光源的應用用一定波長的紅外激光照射第五版人民幣上的熒光字， 會使熒光字產(chǎn)生一定波長的激光，通過對此激光的檢測可辨別鈔票的真假。由于仿制 困難，故用于辨?zhèn)魏軠蚀_。（2）紅外穿透檢測一紅外信號的檢測紅外穿透的工作原理 是利用人民幣的紙張比較堅固、密度較高以及用凹印技術印刷的油墨厚度較高，因而 對紅外信號的吸收能力較強來辨別鈔票的真假。人民幣的紙質(zhì)特征與假鈔的紙質(zhì)特征 有一定的差異，用紅外信號對鈔票進行穿透檢測時，它們對紅外信號的吸收能力將會 不同，利用這一原理，可以實現(xiàn)辨?zhèn)?/p>

3、。（3）熒光反應的檢測一熒光信號的檢測熒光檢測的工作原理是針對人民幣的紙質(zhì)進行 檢測。人民幣采用專用紙張制造（含85%以上的優(yōu)質(zhì)棉花），假鈔通常采用經(jīng)漂白處理后的普通紙進行制造，經(jīng)漂白處理后的紙張在紫外線（波長為365nm的藍光）的照射下會出現(xiàn)熒光反應（在紫外線的激發(fā)下衍射出波長為420 460nm的藍光），人民幣則沒有熒光反應。所以，用紫外光源對運動鈔票進行照射并同時用硅光電池檢測鈔票 的熒光反映，可判別鈔票真假。（4）紙寬的檢測一紅外發(fā)光二極管及接收二極管的應用主要是用于根據(jù)鈔票經(jīng)過此紅 外發(fā)光及接收二極管所用的時間及電機的轉速來間接的計算出鈔票的寬度，并對機器 的運行狀態(tài)進行判斷，比如有

4、無卡紙等；同時也能根據(jù)鈔票的寬度判斷出其面值。（5）喂鈔臺、接鈔臺傳感器一紅外對管的應用在點鈔機的喂鈔臺和取鈔臺部分分別有 一個作為有無鈔票的發(fā)射接收紅外對管，用來檢測是否有鈔票放入或取出。2、如何實現(xiàn)非電量的測量?為實現(xiàn)非電量的電測量，首先要實現(xiàn)從非電量到電量的變換，這一變換是靠傳感器來 實現(xiàn)的。傳感器接口電路是為了與傳感器配合將傳感器輸出信號轉換成低輸出電阻的 電壓信號以方便后續(xù)電路的處理。一般說來，信號都需要進一步放大并濾除噪聲。放 大后的信號經(jīng)模擬/數(shù)字變換后得到數(shù)字信號，以便于微處理器或微控制器。微處理器 或微控制器是測控系統(tǒng)的核心，它主要有兩個作用：一是對數(shù)字信號進行進一步處理 并

5、將信號輸出顯示、存儲和控制。二是管理測控系統(tǒng)的各個部分以實現(xiàn)測控系統(tǒng)的智 能化，即根據(jù)信號和測量條件的變化，自動地改變放大器的增益、濾波器的參數(shù)及其 它的電路參數(shù)。在選用合適的傳感器之后，就要設計傳感器的接口電路。從電子學的 角度來看，不同的傳感器具有不同的電特性和需要不同的驅(qū)動信號（也有的傳感器不 需要驅(qū)動信號），為取得更高的精度和最佳的性能，需要設計傳感器接口電路。3、影響檢測測量精度的主要因素有哪些，而其中哪幾個因素有時最基本而且需要特別 注意的？ 測量器具本身存在的誤差。環(huán)境因素，如氣溫，氣壓，干燥程度，震動，磁場等。人 為因素，如視覺誤差等等。還有使用測量器具時的方法不得當造成的誤差

6、。4、什么是噪聲和干擾？什么是有用信號?噪聲是來自元器件內(nèi)部粒子；而干擾是指其他的有害信號，有系統(tǒng)外部的，也可以有 內(nèi)部的。有用信號指傳遞用戶所需信息的信號，或是用來讓接收設備收到信號后產(chǎn)生 一個預先設定的動作的信號。從物理角度看，噪聲是由聲源作無規(guī)則和非周期性振動 產(chǎn)生的聲音。噪聲為電子系統(tǒng)中任何不需要的信號。噪聲會導致信號質(zhì)量下降以及精 確測量方面的錯誤。噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會影響 電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，固有噪聲由電路元件本身生成，最常見 的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。干擾分3部分，干擾源、耦合通道和敏感對象。在不同空間和時間尺度

7、上偶然發(fā)生，不可預知。5、如何判斷干擾？如何避免干擾?常見的信號的干擾有：（1）器件工作的噪聲干擾，比如說數(shù)字電路正負邏輯的轉換導 致的電磁場干擾，電搜索壓電流變化產(chǎn)生的電磁場干擾。（2）高頻信號噪聲干擾（串擾和回損），因為高頻電路能產(chǎn)生強電磁場，產(chǎn)生感應信號。（3）電源噪聲干擾，現(xiàn)在大部分電源系統(tǒng)采用的都是開關電源，開關電路的高頻開關動作會導致嚴重的高頻 噪聲。（4）地線噪聲干擾，都知道只要是線就會存在電阻，當一條地線上掛有多個設 備時，而且工作電流較大時，小電阻也會產(chǎn)生電位差，從而影響設備?？傊蓴_無處 不在，在設計電路或畫 PCB時可以考慮從3點處理，即屏蔽干擾源、切斷耦合通道、 保護敏

8、感對象。6、電子計數(shù)器如何實現(xiàn)既能測量頻率又能測量周期？為什么要通過測量周期的方法來 測量低頻信號的頻率？ 采用多周期同步測量技術，這種測量方法實際上是對信號周期進行測量，信號的頻率 是經(jīng)過倒數(shù)運算求出來的。因而，從測頻的角度，上述測量方法也稱為倒數(shù)計數(shù)器法。數(shù)字頻率計測量頻率的原理：石英振蕩器1MHz標準脈沖信號，經(jīng)過分頻器分頻為1Hz周期1s的尖波信號接到控制門的控制端，被測信號通過放大整形變?yōu)檎氩饷}沖信 號，接到控制器的信號端；第一個秒信號觸發(fā)控制門打開，尖脈沖通過控制門，第二 個秒信號到來后控制門關閉，脈沖計數(shù)器記錄兩個秒信號間隔時間內(nèi)通過控制門的尖 脈沖個數(shù)就等于被測信號的頻率值

9、。數(shù)字頻率計測量周期的原理：采用上述方法測量 低頻信號時可能產(chǎn)生較大的誤差，因為第一個秒信號到來的時間是隨機的，計數(shù)器從 開啟到關閉可能多記一個或少記一個數(shù)；因此，為了保證低頻信號測量的精度，可以 用周期測量法：即用被測信號脈沖去控制門電路的開啟，讓標準時間通過控制門，進 入計數(shù)器進行計數(shù)，這樣計數(shù)器的值就等于一個被測電壓的周期內(nèi)有幾個標準時間脈 沖通過，相當于一個周期等于幾個時間單位。這就是為什么要通過測量周期來測定低 頻型號的頻率搜索的原因。8、試敘述光電檢測系統(tǒng)的組成及特點。P6組成:（1）光學變換 時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬 空域變換：光學掃描 光學參量調(diào)制：光強、波長、相位

10、、偏振 形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。（2）光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大 將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。（3）電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機與接口、控制。第2章P111、簡述光電效應的工作原理。什么是暗電流？什么是亮電流?2.2.1暗電流指的是在無光照時，由外電壓作用下P-N結內(nèi)流過的單向電流。光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）。無光照時，阻值很大，電流（暗電流）很小；光照時， 光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動， 形成亮電流。2、簡述光生伏特效應的工作原理。

11、為什么光伏效應器件比光電導效應器件有更快的響 應速度？答：（1）光生伏特效應的工作基礎是內(nèi)光電效應.當用適當波長的光照射 PN結時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向 n區(qū)，光生空穴拉向P區(qū)，相當于PN 結上加一個正電壓。（2）光伏效應中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因為少 數(shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應為基礎的檢測器件比以光電導效應為基礎 的檢測器件有更快的響應速度。P153、簡述光熱效應工作原理。熱電檢測器件有哪些特點?4、比較光電效應和熱電效應在作用機理、性能及應用特點等方面的差異。答：所謂光電效應是指，光輻射入射到光電材料上時，光電材料發(fā)射電子，或者其電 導率發(fā)

12、生變化，或者產(chǎn)生感生電動勢的現(xiàn)象。光電效應實質(zhì)上是入射光輻射與物質(zhì)中 束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應就對光波頻率（或波長） 表現(xiàn)出選擇性。在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。按照 是否發(fā)射電子，光電效應又分為內(nèi)光電效應和外光電效應。具體有光電子發(fā)射效應、 光電導效應、光生伏特效應、光子牽引效應和光電磁效應等。光熱效應的實質(zhì)是探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變， 而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結果 又使探測元件與溫度有關的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。原則上，光熱效應對 光波頻率（或波長）

13、沒有選擇性，因而物質(zhì)溫度的變化僅決定于光功率（或其變化 率），而與入射光輻射的光譜成分無關。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效 應的響應速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。光熱效應包括熱釋電效 應、溫差電效應和測熱輻射計效應等 1、試說明為什么本征光電導器件在越微弱的輻射作用下，時間響應越長，靈敏度越高。解：在從第信號啟皤射下，將式 1-30）刊叫川_曠）代入（厲玖 并對其求導即可得半導休材料在弱輻射下的光電導靈敏g劌S廠爲=無2）如知炯響應眼靈迪姦2、對于同一種型號的光敏電阻來講，在不同光照度和不同環(huán)境溫度下，其光電導靈敏 度與時間常數(shù)是否相同？為什么？如果照度相同而溫度不同時

14、情況又會如何？為軍.同一型號的光敏電齟.在不同先照變下利不同的坤境蠱盛T 其光電導靈數(shù)虞利時 閭常數(shù)不相同-在職度相同而溫夏環(huán)同時，S光電辱靈甌度不相同和時司竄數(shù)也不下冃同. 史廟斛性區(qū)已經(jīng)一樣*只星決.寶了 的信一定.光購廈和環(huán)境蠱度不冋.則產(chǎn)生的光生電子 戟度和抑生邑二沫K各異*決寶了 值不同”呪屢相同決定光生電子濃虞相同”溫度不同決 定熱生電子灤度環(huán)同.同樣也塊寶了 潔不同.白（1-SS）和（-gfi）掛出光電靈融廢不相 虱 由 Z 和2-10推出S時刑常數(shù)不專冃司B3, 為什去結型光電器件在止冋«直旳，畏有附顯的光電或臉¥它必殖在哪種«直狀態(tài)為答因為P F

15、紿在外加正問偏壓旳，即伕役有光愿 電猱也隨者電壓指數(shù)級仕増加，所臥有 光電效應不明顯-PF第必須在反冋偏后審扶態(tài)下，有明顯的尤電敢應產(chǎn)生，這是 因為塔在反詬電壓下產(chǎn)生韻電筑妾飽和，朗以北照培了匚時.得到田光生電流就會明顯増4在如圖3-TO所示的F?3明劉控嗣肚曙中得題3所給的CdS光馭電®用什元電傳悪器&在如右a所示的預明燈K機電路種，用ccis光敏電®用作光電傳感器，光®電® 最大功耗為30Qrr乳 光電尋靈敢度ST=O.mx 1Q-旳門x.喑電§ t0 = 0-若己知謎電 琴繞組的變阻為5kQ,速SS的吸合電流為 如b電沮R-lkf

16、i :試求；為tt樂 電器吸合所需萼的昶.專：©夢使維自髯存照S為3"時吸合應如何調(diào)整電PER.（10 井）踴：.弋電禺闇代電溫*嚴»疋*亦璀先匡前札flsiVr甲Ti， TQiII卩-4*的便電電B科占附高對閘取満起k = 滬家 =甘皿 亦比戰(zhàn)電國JS t幼"3M nW.電河為匕時U £= mV-fw陽帀盂旦履戯水弘=欝二一d 二2&A7UM 嚴"巧k引哽侖從氣總氏n 133133V > 厲呼”.杠1達>（龍軌5昨啦1虹國向也“鶴嗎jvtJi盧直亀* 廊疋（6皚陰的樓蹴片,IMP甌恤就軸這久託的咆托.光«

17、;町険，損壞，即無論怎么調(diào)整電阻 R都不會使繼電器吸合。時間常數(shù)是否相同？為什么？如果照度相同而溫度不同時情況又會如何?3、為什么結型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應？它必須在哪種偏置狀態(tài)? 為什么？答：因為p-n結在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加， 所以有光照時，光電效應不明顯。p-n結必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應產(chǎn)生，這是因為p-n結在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光 生電流就會明顯增加。4、在如圖3-70所示的照明燈控制電路中，將題3所給的CdS光敏電阻用作光電傳感器 5、光電導器件響應時間（頻率特性）受哪些因素限制？光伏

18、器件與光電導器件工作頻 率哪個高？實際使用時如何改善其工作頻率響應？響應時間主要受光電導器件中載流子的平均壽命有關，減小 ，則頻率響應提高其次，光電導器件的響應時間與運用狀態(tài)也有光，例如，光照強度和溫度的變化， 因為它們都影響載流子的壽命。光伏特器件的工作頻率高于光電導器件。要改善光伏 器件的頻率響應，主要是減小響應時間，所以采取的措施主要有：減小負載電阻；減小光伏特器件中的結電容，即減小光伏器件的受光面積；適當增加工作電壓。6、硅光電池的開路電壓為什么隨著溫度的升高而下降？影響光電倍增管工作的環(huán)境因 素有哪些？如何減少這些因素的影響？溫度升高時，半導體的導電性將發(fā)生一定的變化，即少數(shù)載流子濃

19、度隨著溫度的 升高而指數(shù)式增大，相對來說多數(shù)載流子所占據(jù)的比例即越來越小，這就使得多數(shù)載 流子往對方擴散的作用減弱，從而起阻擋作用的p-n結勢壘高度也就降低。從 Fermi能級的變化上來理解：溫度越高，半導體Fermi能級就越靠近禁帶中央（即趨于本征化），則兩邊半導體的 Fermi能級之差也就越小，所以 p-n結勢壘高度也就越低，也 就是開壓降低。光電倍增管的響應度受多方面的因素影響，比如：偏置電壓的高低、環(huán)境光和溫度 變化等多方面因素的影響。無光時光電倍增管對光的響應度更趨于平穩(wěn)，使實驗數(shù)據(jù) 也更具有可靠性。因此，無光環(huán)境是決定光電倍增管對微弱光信號的檢測能力的重要 因素之一。光電倍增管工作

20、時由于陰極材料發(fā)熱，這樣對光電倍增管的響應度產(chǎn)生較 大的影響，因此不穩(wěn)定的工作溫度對光電倍增管的響應度也會帶來不同程度的影響。 降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。另外，光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。7、分析光電信號輸出電路工作原理。試以光電導器件為例，說明為什么光電檢測器件 的工作波長越長，工作溫度就越低？P448、簡述發(fā)光二極管的發(fā)光原理及半導體激光器的工作原理。它們的結構簡單說就是三明治的夾心結構，中間的夾心是有源區(qū)。二者的結構上是相 似的，但是LED沒有諧振腔，LD有諧振腔。LD工作原理是基于受激輻射、 LED是基于 自發(fā)輻射。LD發(fā)射功率較高、光譜

21、較窄、直接調(diào)制帶寬較寬，而LED發(fā)射功率較小、光譜較寬、直接調(diào)制帶寬較窄。9、試判別下列結論，正確的在括號里填寫T,錯誤的則填寫F:F)（1）光電導器件在方波輻射的作用下，其上升時間大于下降時間。（T)（2）光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關，溫度升高時光敏電阻的阻值也隨之升高。（3）光敏電阻的是由于被光照后所產(chǎn)生的光生電子與空穴的復合需要很長時間，而且, 隨著復合的進行，光生電子與空穴的濃度與復合幾率不斷減小，使得光敏電阻恢復被 照前的阻值需要很長時間。（T）10、簡述光電耦合器件的工作原理？P51 光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極 管）組裝在一起，通過光

22、線實現(xiàn)耦合構成電一光和光一電的轉換器件。11、利用光敏電阻等器件設計樓梯內(nèi)的節(jié)能燈控制電路及測量應用中的自動增益控制 電路。2樓道照明燈自動控制電路設計原理圖橫逍I骯明燈n動腔制電略設訊總電辭岡如聞7和関 所4,它市電游電熾、光控電霸和K時 掙制電將r拖祥電童1外處屜電?毀婭電話擅制電谿囚部射刎威- 22（JV電壓豈過電池電將餉分進野隆 笊、棣沆、濾陂加穩(wěn)斥為其官電路橇供i2¥的匿嚴工作電冋時通過光敏電;列、新盤輕狎電 釧外性感曙及時基集M15SSXR控制，fetl氏燈不亮，瘦間育人來前時跌燈門動點亮，人送 卡；咆時一國忖問h動煌滅，從血達鄴弋能的LI的"hf肉試控制康魏l

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26、的輸出功率最大？（ 極電容，串接電阻，串接電阻越小越好。(2)顯然，存在著最佳負載電阻出功率PmaxRopt,在最佳負載電阻情況下負載可以獲得最大的輸15、光生伏特器件有幾種偏置電路?各有什么特點？(1)光生伏特器件有反向偏置電路,零偏置電路，自偏置電路。(2) 特點：自偏置電路的特點是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當負載 為最佳負載電阻時具有最大的輸出功率，但是自偏置電路的輸出電流或輸出電壓與入 射輻射間的線性關系很差，因此在測量電路中好少采用自偏置電路。反向偏置電路： 光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結勢壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運動，使光生伏特器件的線性范圍加寬，因此反

27、向偏置電路被廣泛應用到大范圍的線性光電檢 測與光電變換中。零偏置電路：光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流Ise與入射輻射量(如照度)或線性關系變化，因此零伏偏置電路是理想的電流放大電路。16、試比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線，說明它們的差異。Uth 值。答：比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線可知：當沒有光輻射時，二者 的伏安特性曲線是一樣的；當有光輻射時，則硅光電二極管的全電流為負值，特性曲 線向下平移，且向下平移的程度隨輻照度的不同而變化。但是硅整流二極管的伏安特 性曲線不受光照的影響。此外，正常工作狀態(tài)下，硅光電二極管兩端所加正向電壓必 須小于0.7V，否則不

28、能產(chǎn)生光電效應。該值通常為負，即處于反偏狀態(tài)；硅整流二極 管兩端所加偏壓須為正，且要大于開啟電壓 17、寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項的物理意義。W門一說)J十打怯告答：硅光電戰(zhàn)管的空電建為程為n-fhe式屮-為光電材料的光電轉換效率* 光電流対雖輸射時的電涼為i "時-1)丿為聊電說，苗加圧光1_機曽期諭;的電心 為賽打的溫Ji, t為披爾施曼竊熟，g18.比較26 型桂光I電一.極管科型硅光電二機管的結構特點，說明JI入環(huán) 扱的羸義.答* 2CU型陡光電 '極管是采川n型?材判出基底4 n區(qū)的一向擴融仝價元素砌而生成 貳勇雜P，型層* p*型層和n型硅相接値冊成嚴

29、“F札引出電極，rr光墩商卜涂上保 護. MDU型社叱曲-扱管赴以輕摻雜、為詛值的P型硅材料做嚴底，在P型壘底上擴啟 五愉元索磷，形成S務雜F廠型已P型碓fn/T型硅播觸形血Ml結，廠區(qū)引出正瞰 井 灤以遴切的GO川;為探護膜”皐底健15燕憶看引岀負電虬在務光電械骨的制也過程也 和我約血上涂山q保護宗的過科中.不11薩做的克沾污一空黑質(zhì)貶離于.謖赴靜陽朋屁別 起表血湍Hi漁*井腔而產(chǎn)生晤電說和散粒噪聲.W圮 為r減少由于射6 4S正藹子的 諦電感應所產(chǎn)生的志rfii漏電渝在転化拮屮也擴敞一個光血包W起來.由 引入環(huán)將 以増加高陽區(qū)寬度，避免邊緣過早擊穿19、影響光生伏特器件頻率響應特性的主要因

30、素有哪些？為什么PN結型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107Hz?怎樣提高硅光電二極管的頻率響應 ？（1）影響光生伏特器件頻率響應的主要因素有三點：1）在PN結區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結區(qū)的時間T dr，即漂移時間；2）在PN結區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴散到PN結區(qū)內(nèi)所需的時間T P,即擴散時間；3）由PN結電容Cj、管芯電阻Ri及負載電阻RL構成 的RC延遲時間T RCo對于PN結型硅光電二極管，光生載流子的擴散時間TP是限制硅光電二極管頻率響應的主要因素。由于光生載流子的擴散運動很慢，因此擴散時間TP很長，約為100ns,則其最高工作頻率小于等于107Hz。（3）1 ）減小PN結面積；2）

31、增加勢壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結深；3）適當增加工作電壓；4）盡量減少結構造成的分布電容；5）增加PN結深，減小串聯(lián)電阻；6）設計選用最佳負載阻值。PN結的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關嗎？ PN結處于平衡位置時，存在一定的勢壘區(qū)。PN結區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)20、為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在 答：對于PN結注入發(fā)光的發(fā)光二極管，當 當加正向偏壓時，光，并主要發(fā)生在 P區(qū)。這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子與空穴做相 對運動，即電子由 N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向 N區(qū)運動。但由于電子的遷移率 ？N比空 穴的遷移率？P高20倍左右，電子很快從 N區(qū)

32、遷移到P區(qū)，因而復合發(fā)光主要發(fā)生在 P 區(qū)。21、為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？ 答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導致復合發(fā)光，因 此要求有非平衡載流子的相對運動，使電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴由P區(qū)向N區(qū)運動。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結內(nèi)部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動的結果是電子與空穴的復合幾率小，而且表現(xiàn)在數(shù)量上也是很微弱的，不足 以使LED發(fā)光。因此，要使 LED發(fā)光，必須加正向偏壓。22、發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義?發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結

33、構決定，而與器件的幾何 形狀和封裝方式無關。無論什么材料制成的LED都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長即為峰值波長P 。在LED譜線的峰值兩側處, 存在兩個光強等于峰值一半的點，分別對應 P,它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱 半功率寬度，它是一個反映 LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好， 發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。23、產(chǎn)生激光的三個必要條件是什么?答：產(chǎn)生激光的三個必要條件是：（1）必須將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能 態(tài)上去，為此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子數(shù)反轉，使受激輻射足以口服損耗；（3）有一個諧振腔為出射光子提供正反饋

34、及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。LD光的24、半導體激光器有什么特點？LD與LED發(fā)光機理的根本區(qū)別是什么？為什么相干性要好于LED光？答：半導體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長，并可采用簡單的注入電流的方 式來泵浦。其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可以與之單片集成，并且還可用 高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，它廣 泛應用于光通信、光學測量、自動控制等方面。LD的發(fā)光機理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而LED發(fā)光的機理是非平衡載流子的復合發(fā)光。由于LD的發(fā)光過程是受激輻射,單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的時間和空間相干性。25、為什么需要將發(fā)

35、光二極管與光電二極管封裝在一起構成光電耦合器件？光電耦合 器件的主要特性有哪些？答：將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成的具有信號傳輸功能的器件，即為 光電耦合器件。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相 連。同時，它在信號傳輸速度、體積、抗干擾性等方面都具有傳統(tǒng)器件所無法比擬的 優(yōu)勢。因此，在實際應用中它具有許多優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動檢測、自動控制、 電信號的傳輸和處理及計算機系統(tǒng)等方面。光電耦合器件的主要特性有：（1）具有電隔離的功能；（2）信號傳輸具有單向性；（3）具有抗電磁干擾和噪聲的能力；（4） 響應速度快；（5）實用性強；（6）既具有耦合特性又具有隔離

36、特性。26、舉例說明光電耦合器件可以用在哪些方面？為什么計算機系統(tǒng)常采用光電耦合器 件？答：光電耦合器件目前在自動控制、遙控遙測、航空技術、電子計算機和其它光 電、電子技術中得到了廣泛的應用。其具體應用實例可參見教材6.5小節(jié)所述。在計算機主體運算部分與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大提高 傳輸中的信噪比。27、為什么由發(fā)光二極管與光電二極管構成的光電耦合器件的電流傳輸比小于 發(fā)光二極管與光電三極管構成的光電耦合器件的電流傳輸比大于等于1 ？於；肥汁曙H中發(fā)花 嵌青的廈咒他瀝為打.接收黔竹兄電 我H產(chǎn)1附卷唯說叩H 良示*典巾等發(fā)址=根泮的發(fā)比效 匯電=雖憐的增益屋 音i問

37、帰離f 甥敵仃關的係血林為出戲發(fā)改申：疣 般比* i底噺以件丿陰人f人.曲f “為/W'j/, rrjiLtfi，佻皿1尤乜戰(zhàn)合盟付巾乩下加父合啟人 磺竹時.兀電渝傳愉就“總小匚血 T按攻畧幷I託川尤電計吃W附，山于尤業(yè)許本口H fl電漓人那用，N此輸幽t電流人 廠F r投X.電溢.也燦兒電淡傳幡吃人JJ U供衛(wèi)瀚岀址電iWia 訣跖級的亂氓=梯詢購輸出朮電池fl卄M垃吊憋1聃川M汕用訂藉I訃卜弋止'詼T畢1必路 我扣刖氏的圖,川尤qi關仔Kf1構說的如E門Xnaft.H FfM.熾合F山1糾心怙匕傳循fl川+舊卉山旳門 口 I川fj十汛fHt tv先.比電鍬舎為fl rm応號

38、傳輔是以九的仍代迅行的，迄與I社齊利州電丫血戎電樂傳 軸冊號仆同2 K次.尤世W汁揣n訶以將輸入端伯血協(xié)轉換九吃仁J：返帝罠*乩 血電容 具#彳隅曲作用冉次的f 乂;釘;.咒屯懼合器竹相応諂釗為同砂宰 .世殆丐衛(wèi)-輸*時 小“換率的怡淋均吒爼測卄3，ifQiJ!客傳#立漁話4時;?崔現(xiàn)出fty細宰下冋 而玄比的罰抗（也訊；計海人 無汎K輸?shù)娃泵?/F： |；.心抗丁擾別神矇加皿 比山,WH專 件比咆容耍茁30、簡述半導體激光器的工作原理。它有哪些特點?原理：半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：（ 要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒

39、子數(shù)；（ 有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā) 光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振 蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。特點：體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。3K給出了用光電耦合器件隔離的一種高壓穩(wěn)定電路，說明其工作原理尺對該光電耦 吉器的W占0為本電舊是低壓控制高壓輸出裝置，a VU 復合笥組咸變壓帔放大電跖 由光電耦合器組成低壓控制高壓的光控器中，由取樣電阻(R取血

40、.R5)比較放大 電路¥3和基準電壓ydja成穩(wěn)壓控制町筑亠當負載上州h上升，上卅 復合管的JXHH Ik減少，由于QP 瓦故光耦合作用減小，光耦合三極管DCM)的h減小，復合管V2的IL減 小.其ZC隨之矽卜復合管Y1的 吐升'其Ml隨之上升.負載電流應上珀 其電壓也隨之上升.反之則反、從而實現(xiàn)了低壓控高壓的g的T (具中抽電阻提 供編B電壓，R2作為基準電IS作降壓用，氐作為限流電阻 作反饋用，VD作対基 準電壓管廠32 X熱福射轉捌器誦帝分為邨兩個陽啓？哪個酚段能踴產(chǎn)牛熱電效應？第=階段匕器件吸收光輻射能量而使a身渥度發(fā)生變化，第二階段，器件依恢某神逞度歌懇持性把羯射引

41、的溫慶殳優(yōu)轉化芍利應的包信冷而達到 光輻期採渕B豹.第二階段盤夠產(chǎn)主熱電敢應3-3J熱釋電效應應如何理解？ ft電檢測S為什么貝能檢測交變輻射信號？ 熱釋電敦應J熱璋電晶休吸收戲輻辭焉度改變，溫度的變化引起了熱電晶體的自發(fā)極化強 度的變化，從而在晶休的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱»電效應*ftjs熱釋電效應，釋電探«器的電癥和溫度茁變化満足】-如果鹽射光是恒定ffl,£/r那么溫«丁«恒定IT電溢為零所以抄電探測翼是一種交溢器杵.34、簡述熱電偶工作原理？熱電檢測器為什么只能檢測變幅射信號?熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體

42、組成閉合回路，當兩端存在溫度梯 度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢一一熱電動勢，這就是所 謂的塞貝克效應(Seebeckeffect )。35、為什么半導體材料常具有負溫度系數(shù)?熱敏電阻是指電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系 數(shù)(NTC)熱敏電 熱敏電阻器阻器。負溫 度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鉆、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要 原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質(zhì)，完全類似于 鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子(電子和空穴)數(shù)目少，電

43、阻較高；溫度升高，體內(nèi) 載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。第四章 1：總結不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。 答：不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。b所示。2:如圖所示電路中，設電源電壓源為Ub=9V光敏二極管的伏安特性曲線如圖光敏二極管上的光通量在 0150 口 Im變化。若光通量在此范圍內(nèi)做正弦變化，要是輸 出交變電壓的幅值為3V,求所需的負載電阻 RL,并作出負載線。烈財打如傅陽乘的電瞎中.謖用則b二爭譏 兀戦二14普的伏空特忤歯線圖慟）朮敏二樓管卜的 ftlffigO-lSOnlinN間燮ft一騎尤塾S在tt范W山柞B雖

44、逼此*嬰住»出理變Ft：除的«|怕為iW取怖需的負 喪電砒血-卉帝宙載哉一p7?inlii；-嘰-S、闖 |£L VmF囲I光戦二番憤人生型具伏安特11Wt Miffiti口著州*吒®一橫管的昭為iSU plnV忡的址剋視片17|tA憫tfc比電溺Slt« 為山=17- J = ISM空奄瓷41蠱的kjiUm T.siiji.謂此爾畫ctr曲蜜M 弓兇 3亍aJfill fife tallfl HtO后rtS3過h慮図作糸耳u Mifio s airtanfn塑 勺(軸空M點，W MN即為所 求卻.QjtLrSffjrfTA3已知某琴i光電二彊

45、営的靈耿度為叱;”給間電導&=0訃£ （孤西），特折電壓 L0=Un,入射光功聲從pJlMH變到P "=；5 inv,偏壓Lb=5UV .衣験大輔出功罟時的 竜隹罰報如、輸哉電渝Al、籀出電壓AL和輔出功牢PL。7 P1O9T3J1JUI I&知光電-楹詩前理殖矍為05 iA/mW.轄問電尋石=0.01曲儼啊h貲折庖床 = 10V. ttJt功事從嚴三ISwW變f«P=¥3uW”側圧三5啊點最大輸出勸辱時的Stt負fUL 愉皿電眾M*輸 附電斥心0»«弗功車鳧Ht初妬電導SP' &+ =%= l.Z&#

46、171; K 旳=0315(15(4 -必50-1。Al - I/Cl -百看-34苗卅fl愉山電IK右+仏0.C3 4 0.315加=GiAV ="少£X tS.395 =鼻IM* #戰(zhàn)功宰f = matf = 4.846 X 15.4B5 = 7<5 卻種(P3OTH) CtoX St址電一*»的55戟廢丹11£ i»A/ev. #阿用#打- (MU A儼畫"戟祈電用細» ruv. A«Jtfl(jTVJ> = 5 + 3stijwt tiiWb «壓(4 =啊譏 試鴉 電幻號海出送1毆大

47、盼時-戢得最玄功宰喲電 Rlb曠故去的入電魁童上丄圧(ft送制St大JB的更斥段旳事«Ct由皓定條什町確邃用味助光功宰値為壓-3 皿 ft - 5 pW&大功事憎出Bh且瀝5樂#"$幅+2 陽葉"如 OlSx(3 + ZkS) + 2x(1(Hx10 廠2 x(4O- 10)r“i _ H 、" r -一一« 0,112 IlkSAm » l/Cfc,-01929 MO% = Gt + G m2 七 0.01 = 0.122 pS電阻局 * 1/0422 0J97 MO4単Wqj?=尤電信増骨«首電路如困斗22所示.

48、兀電倍増管的即極積分靈敏廢SKNOn丄伽.陽 AS祖分靈歟度Si»-gllra.陽0暗電渝W-4叮.輸入電踏是電和電容cw-o.l陰報白和為aOiniQ,燮農(nóng)41號申福UL=h)-©,計算ffl極嗓蘆電痂，負戦電阻 上的噪聲電壓和信噪比-GIP1M昭師S 3斷和 北電f咅碉ISiH分貝（毆 =30注Zlm陽摂取疑6班5* = 110 AAm.陽歳 屠麵譴& =4mA.矗人電踴是樞ERP = IMC細社畔q = 0 $ M的朕.隔踱而印為” ezY中社探 yji - I曠怙.計埠槌咲電爲*員醍電諷耳的*爲電耳和加峰出尊郭I聲帶寬和住a電W在眉Tft代鎮(zhèn)F井呦A斬僥寂禽

49、W如h（哥用fSHV 口峨聲電謹柵魚嗾1詡嚨由啓E轉*円社悔曲A = Jdq円XabR =X 1.6022XO.jZiSx IWJx 1.5 X J5 = 2.5«Z X IP" A = 2占1£3 k 1叮妙式叩敵文罹&M -= 10/30' = 0333 M. f上= 100，蹟昇締醪*11収2 5ft蛭戶底瀛/.T =X lOE = 1 藥何喬 X ?薩中=ZJ40 X l(r H A = 2JM9 X IO-*(4AJm 3 jiU + 臨-虹=2 Sa3 H 10- uA如ft電(H上的/為咆“標嶺 S 如 fr 三 2.631 X 10

50、" K 0 1 = Z5H3 X lO * V巧陽町上= 1M/£SB3 X= Wl x la*】tHPio9茁斶述琢蛙大a嗥頁系ft達劉就小to的ifeft 書：ftSGt大戸桌毆F t X 蛍,JpH*V s 1 X -4 - AkT&f：1| = 0 命背0 =出=&fttts敬大罵噪由隕ft達Wfid*值睪ft遷裁電期垮t我丈轟廩Aill/k與鎖金電«的憶值貼.fiU尺廠r第五章1：直接檢測系統(tǒng)的基本原理是什么？為什么說直接檢測又稱為包絡檢測?二-必Ua才 d(f)2所謂光電直接檢測是將待測光信號直接入射到光檢測器 光敏面上，光檢測器響應于

51、光輻射強度（幅度）而輸出相應的電流或電壓信號。光檢 測器輸出的電流為： 式中：第一項為直流項。若光檢測器輸出端有隔直流電容，則輸出光電流只包含第二 項，這就是包絡檢測的意思。2：對直接檢測系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比?答：對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：（1）光子噪聲包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生復合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲。（3）信號放大及處理電路噪聲在實際的光電探測 器中，由于光電轉換機理不同，各種噪聲的作用大小亦各不相同。若綜合上述各種噪 聲源，其功率譜分布可用下圖表示。由圖可見：在頻率很低時，1/f噪聲起主導

52、作用；當頻率達到中間范圍頻率時，產(chǎn)生一一復合噪聲比較顯著；當頻率較高，甚至于截至 頻率時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測器應當工作在1/f噪聲小、產(chǎn)生-復合噪聲為主要噪聲的頻段上。因此，對于直接探測系統(tǒng)，提高輸入信 噪比的措施有：（1）利用信號調(diào)制及選頻技術可抑制噪聲的引入白噪聲的大小與電路 的頻帶寬度成正比，因此放大器應采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器。（2）將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產(chǎn)生-復合噪聲。采用半導體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或?qū)Ｓ弥评錂C制冷。（3）采用最佳條件下的偏置電路，使信噪比（ S/N）最大 3:什么是直接檢測系統(tǒng)的量子極限？說明其物理意義。軌

53、=2"答：當入射信號光波所引起的散粒噪聲為主要噪聲, 其他噪聲可忽略時，此時信噪比為：該式為直接檢測理論上的極限信噪比。也稱為直 接檢測系統(tǒng)的量子極限。量子極限檢測為檢測的理想狀態(tài)。4：試根據(jù)信噪比分析具有內(nèi)增益光電檢測器的直接測量系統(tǒng)為什么存在一個最佳倍增 系數(shù)。（參考） 答：當光檢測器存在內(nèi)增益（如：光電倍增管）時當很大時，熱噪聲可忽略。若光電 倍增管加致冷、屏蔽等措施以減小暗電流和背景噪聲，則可達到散粒噪聲極限。在直 接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力高于光電導器件，采用有內(nèi)增益的檢測器 是直接檢測系統(tǒng)可能趨近檢測極限的唯一途徑。5：對于點檢測光電系統(tǒng)，怎樣提高系統(tǒng)的作用距

54、離?3. r接探渭方法的基4：原H是什么？對！點探甜光電垂統(tǒng).1樣矗；5索躱的柞用和答：頁接探«®將詩檢測的光們號a接入射判北探«器的光®面h桿光探測辟«光強仁號rt接轉化為相應的電淹或電用、般據(jù)不御蝌撓的炎求.再牲扃徴電蹤處理I：如故大，池波或其種口號變換哂路兒晟弊獲得有iju的人；號電覺髙點撫測兌電媒統(tǒng)的作用即高引以從以卜兒介方發(fā)射系統(tǒng)的羊恆立體們的劈村功輒 把光:源戻射光話眾選在大9U范關內(nèi).探#«僉作訂冶 禰帶構耳寸允許的情配C嫌大光學嫌紙的IU冷常電第六章1:試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的特

55、點。答:工作原理上：直接探測系統(tǒng)是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面 上，光探測器響應的是光輻射強度而輸出相應的電流和電壓；光外差檢測是利用兩束頻率不同的相干光在滿足波前匹配條件下，在光電探測器上進行光學混頻，探測器 輸出的信號是兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號的振幅、頻率和相位特 征。系統(tǒng)性能上：直接探測系統(tǒng)檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，但是不能改善輸 入信噪比，不適宜檢測微弱信號；光外差檢測系統(tǒng)復雜，對光外差兩輸入信號有嚴格的空間條件和頻率條件，但檢測距離遠，檢測精度高，靈敏度高，是天然檢測微弱 信號的方法。2:有一光子探測器運用于相干探測。假設入射到光混頻器上的本

56、振光功率PL=10mVV光混頻器的量子效率n =0.5，入射的信號光波長入=1 口 m負載電阻RL=50Q，試求該光 外差探測系統(tǒng)的轉換增益PIF/PS=?2.右以光于探«»站用當塑干探測.ffi遜人科疊光混樺SS L的木播光功書pXOmw. 此滋期®的*子%畔1-0.5”入射的f；l,Mliim*戲歆電齟R聲son.誡承諫Jt蚱就捉測癮tfc的披稅能益P討巧"解 * 怖/冷=玄（的/h¥尸料lW *m <）7*Q4 02-1（1"3:試述S：現(xiàn)外差樓必須寤足吊親杵“箸：1）琴妝冬干聞顓的信號卅和本振吒應昂畏袒相干的皀顓單模州，

57、琴有穩(wěn)T的掠蕩顓 率Mfe. 2）在托雇頻號上信號光與本振光S求偏振方向一致。打信號光與本振光g 求空間満前匹配.即夢康¥間調(diào)準（準育，#輔兒 波面刪"iV垂育人射于許揭頡表面。二訐 束入射斜。應漳足關系a<xok其中W是本振刪長丄是進電探測器光敏面尺寸。4：窗尤害壽相干槪測稈輯出以載尺I3S的峰慎信號勸李S.求光¥莖擔下探測茁輸出負載班端口號功率光零磐相干探測瞬時中頻電床為v,pAARi麟時功率Rr=wVRL邙“A冷他）ip丹Ri英屮Pi'Ps分別為本振光和儘耳光的功奉.5試述轍光干¥«長的基本原理-答：UJ國斯示#朝瓠履取顓瀚

58、光干淞代的甌理示爲因“宙悵裁為206ilini的全內(nèi)腔H養(yǎng)M隸戰(zhàn)¥發(fā)出一垃互相垂縱険娛餛擦光.愼il同ffi 為也（貳中杠妁托進.i為俯哥腔枚.阿為空氣折口軍.冥僵豹經(jīng)帝 霄$澤®耶沈程頻匡號.迸行嗎軽頡.K象光束再經(jīng)忻光£電反躬反遇射.反射的一対正交線® 孫光作均勢看倡號.渥速軌、偏振片產(chǎn)生抬頻曙號.為光電接收器按收.遺射光經(jīng)光擴屣器 淮直擴束后.為偏義分光詵分光，ZK平分»新向涮館雄淡，垂直分射向固芷甬儺険兩 路光返回宕經(jīng)速ft* «撮片產(chǎn)生柏頻.當測«儷在時佃f內(nèi)以速廈廠移訪一距S時，0多&勒改應而引起麺蠶變化#*這樣駿購後慶信.Silt干返回光束4 井為光狀接收器按收,51 可再荔i說運動距與袖啦差變憶的矢殺式根僵測鏡迄動引遠的多習勒農(nóng)應與相位