光電技術(shù)復(fù)習(xí)資料概要

1、1、設(shè)受光表面的光照度為100IX,能量反射系數(shù)0.6,求該表面的光出射度和光亮度（假定該表面為朗伯輻射體）。（Lv =dIvdScosJ解：設(shè)受光表面光譜反射率相同，則每單位表面反射的光通量為反P入06 100 60Lm/m 2這也就是該表面的光出射度Mv。對朗伯輻射體，其光亮度Lv與方向無關(guān)，沿任意方向（與法線方向成e角）的發(fā)光強度b與法線方向發(fā)光強度10之間的關(guān)系為I日=10 cos日每單位面積輻射出的光通量除以兀即為其光亮度:Lv =dIvdIv0dS COS&dSST附：朗伯體法向發(fā)光強度I 0與光通量-6 = 19.13.14Cd/m2srv的關(guān)系由定義，發(fā)光強度Id，所以在立體角

2、dC內(nèi)的dQ光通量：dv =ld0 =l0cos&s in日dOd在半球面內(nèi)的光通量v兀/22兀=Jgeos日Sin日d9 Jd =兀102、計算電子占據(jù)比Ef高2KT、10KT的能級的幾率和空穴占據(jù)比 Ef低2KT、10KT能級的幾率。解：能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為fn(E)-E比Ef高2kT時，電子占據(jù)比：1 + exp(E比Ef高10kT時，電子占據(jù)比：feE比Ef低2kT時，空穴占據(jù)比：E比Ef低10kT時，空穴占據(jù)比：1 + exp(1 kT )E 一 Ef)kT1=0.11921 + e2.101+e-454 10Ef -EEM kT )一 =0.1192fp 1 + e10

3、=4.54% 10一5113、設(shè)N Si中ni =1.5x1O10cm，摻雜濃度 血=1016cm，少子壽命t =104s。如果由于外界作用，少子濃度 P=0 （加大反向偏壓時的PN結(jié)附近就是這種情況），問這時電 子一空穴的產(chǎn)生率是多少？（復(fù)合率 R=，當(dāng)復(fù)合率為負(fù)值時即為產(chǎn)生率）T_ 2解：在本征硅中，np二n=225 l0在N型硅中，少子濃度:產(chǎn)生率為:P=N彳如化2.25 104仆 1016人 P 2.25 104T心10225109每秒鐘每立方厘米體積內(nèi)可產(chǎn)生2.25 X09個。4、一塊半導(dǎo)體樣品，時間常數(shù)為 T =0.仆S，在弱光照下停止光照 0.2氏后，光電子濃度衰減為原來的多少倍

4、?解:ne (t)n(0)e 7I”45、一塊半導(dǎo)體樣品，本征濃度ni =1.5x1O10cmd，N區(qū)摻雜濃度 血=1017測，P區(qū)摻雜濃度NA=7x1014cm，求PN結(jié)的接觸電勢差Ud （室溫下，竺=0.026V ）。q解：在P-N結(jié)處，接觸電勢差V0=% 町 13止字 10157en2I.6O2IOT91.5 1020=2.5875 10 2646= 0.685偽6、設(shè)某種光電倍增管一共有10個倍增極，每個倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)均為b =4，陰極靈敏度Sk =20AA/lm，陽極電流不得超過1004A，試估算入射于陰極的光通量的上限。解：陽極電流Ia滿足:Ia= %Skbn，所以入射光

5、通量IaSenS100” =4加10lm7、上題中，若陽極噪聲電流 4nA，求其噪聲等效光通量？(A f =1Hz )解：題中未給出入射光的波長值，我們?nèi)〔ㄩL為555 nm，則V仏)=1=4 4 10-3=仃 10NEP=04=1.9?10 Lmin8、某光敏電阻的暗電阻為600k0，在200IX光照下亮暗電阻比為1： 100，求該電阻 的光電導(dǎo)靈敏度。解：該光敏電阻的亮電阻為R2 =0.01R, =6心00，光電導(dǎo)G =1/R，所以光電導(dǎo)靈敏度1 _ 1 1 13 5=60 =8.33X10 飛/LxSE飛-巳200 -09、某熱探測器的熱導(dǎo)為5X10W/K，熱容量為3%10，J/K，吸收系

6、數(shù)0.8，若照射到光敏元上的調(diào)制輻射量為=5x(1 +0Gcosot)，求其溫升隨時間的變化關(guān)系，并給出上限調(diào)制頻率。解：上限調(diào)制頻率 =丄 GTt吩涪“17 所以:=0.027 Hz。 2兀溫升隨時間的變化關(guān)系叫+ 叫ej(沖 GtGt(1P2Tt2)1/2e_0.8天510十0.8咒3咒10闊刑5勺05咒10601 +36)%= 8+2.4X(1 +36 2嚴(yán)ej(B刑10、某光電導(dǎo)器件的特性曲線如右圖，用該器件控制一繼電器。使用30V直流電源,電路在400IX的照度下有10mA電流即可使繼電器吸合。試畫出控制電路，計算所需串聯(lián) 的電阻和暗電流。題9 1圖光敏電阻的特性曲線題9 2圖 光敏

7、電阻控制繼電器電路解：光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為1R2 R1 _ 10001x1056Se 飛-Ei =1x10 S/Lx1000 1 在400Lx的光照下，光敏電阻的阻值為 R。Go =2 = SeE =1天10% 400 =4X10七R所以，Rt=2500歐姆。使用30V直流電源，使繼電器吸合需10mA電流。這時回路電 阻應(yīng)為Rl=30/0.010=3000 歐姆比光敏電阻的阻值要大，故需串聯(lián)一個電阻Ri, Ri=RL-Rt=500歐姆，如圖9 2所示。11、已知2CR太陽能光電池的Uoc = 0.55伏，lsc = 50mA,要用這種光電池組合起來對 6V、0.5A的蓄電池充電，應(yīng)組成怎樣

8、的電路？需要這樣的光電池多少個？（充電電源電壓應(yīng)比0.8倍，這時輸出電流約為被充電電池電壓高1伏左右） 解：光電池用于能量轉(zhuǎn)換時，輸出電壓一般取開路電壓的0.8lsc=40mA ,輸出電壓0.44伏。需用Nj =610=16個電池串聯(lián)供電。每支路提供 40 0.44毫安的電流，需要N2二500 =13條支路并聯(lián)。共需用N = Nj N2 = 16X 13 = 208個這樣的電40池串、并聯(lián)供電。E=( 40012、具有上題所示特性的光敏電阻，用于右圖所示的電路中。若光照度為+ 50sin)t) lx，求流過R2的微變電流有效值和R2所獲得的信號功率。RII =2kC。解：設(shè)光照度變化頻率05和

9、電容量C足夠大，則電容交流短路。交流等效負(fù)載為Ri和R2的并聯(lián)值，由上題，Go=4X 10-4 S，Gmax=Sg Emax=1.0X 10-6 X 450=4.5 X 10-4 S直流工作點:Ro + Rii301= 6.00x10(安)。4.0x10 鼻+ 2.5k光照度最大時，總電流I maxU1G max+ Rii301= 6.35x10(安)4.5x10 鼻+ 2.5k所以交變電流的峰值電流是imax=6.35-6.00=0.35(mA)，通過R2的峰值電流是:i 2 max Rimax 2 5kX 0.35mA = 0.12mA 2.5k +5k負(fù)載電阻R2所獲得的信號功率為:12

10、3325Ps = R2i2max =0.5x5x10 x(0.12M0 ) =3.8X10 W213、某光電二極管的結(jié)電容5pF,要求帶寬10MHz，求允許的最大負(fù)載電阻是多少?若輸出的信號電流為10AA，在只考慮電阻熱噪聲的情況下，求T =300 K時信噪電流有效值之比。又電流靈敏度如為 0.6A/W時，求噪聲等效功率。解：因為fH2gRl所以最大負(fù)載電阻:電阻熱噪聲i21 11呻廠2&嚴(yán)107=318罟，信噪電流有效值之比：30VRt)R2(5103(4 1.3810 300 10)23. 18103nep 牛仟.3丁空嚴(yán) 10/0.6=1.04 嘰14、某光電二極管的光照靈敏度為 Se=

11、3.0c10-6A/Lx，拐點電壓為Vm=10V，給它加 上50伏的反向偏置電壓，其結(jié)電容為 5pF。試求：（20分） 若其能接收f = 6 MHz的光電信號，求其允許的最大負(fù)載電阻。 如光電二極管耗散功率為2OO毫瓦，求所允許的最大光照度。 如只考慮電阻的熱噪聲，求在問題條件下輸入電路的等效噪聲功率及可探測的 最小光照度（S/N=1）。 .如輸入信號光照度為 E=50（1+s in t）Lx，求在最大輸出信號電壓情況下的負(fù)載電 阻和電路通頻帶寬度。解：最大負(fù)載電阻：Rl=112 = 5.3122rCj fH2兀天5x10x6x1O6 負(fù)載曲線通過拐點時，光電二極管耗散功率為P = SeEVm

12、所以:匚Pm a xEm a x=2OOO3VmSe 10x3.0x10=6.6710 LX取Rl為最大負(fù)載電阻，其熱噪聲功率為Pr =4kT也f =4咒1.38咒10宀300咒6咒106 .。上取光譜光視效率為最大值683,得可探測的最小光照度為:Emin =V(Q Pr = 683M.OdO3 =6.83x1O-11Lx在最大輸出信號電壓情況下，照度達(dá)lOOLx時，光電二極管上壓降為10伏，輸出電壓Us=Uo-Um=4O伏，對應(yīng)的光電流為-6-4、Is=SeE=3.0X 10 X 100=3.0 X 10 安。負(fù)載電阻為Rl=Us/Is=1.33X 1O5歐姆這時的電路通頻帶寬度是：1fH

13、 _2兀CjRl 2兀咒5x10J2c1.33M05 _2.410Hz三、教材上所布置的所有作業(yè)題。 第一章：1、解：光衰減器的透射比指的是光輻射能量的透射比。 在亮視覺時，對波長為=435.8nm的 單色光，光亮度Lv1=KmVe)Le1，對波長為幾2 =546.1 nm的單色光，光亮度 Lv2 =KmVG2)Le2，且有Lv1 = Lv2。在暗視覺時，應(yīng)有：L =KmV(Z1)Le1d0*，LV2 =KmV(X2)Le2%10*因為:LV1 _ KmVG)Le1LvV仏 1) V仏2)V&1)V2)LV2 KmV(Z2)Le2V1)Lv2VG2)v仏2)V(Z1)0.2640 咒 0.97

14、8-0.714x0.0173大于1，所以在暗視覺時，波長為單色光源的光亮度。(光譜光視效能值參見教材第4頁，此處采用了數(shù)值內(nèi)插)2、= 20.9=435.8nm的光源的光亮度大于波長為 為=546.1nm的解：白熾燈各向同性發(fā)光時= SE, =4兀R2Ev =4x3.14x1.52x30 =848 Lm3、解：由維恩位移定律,入mT =2897Am X，所以T 二2897 二897 = 6 3 5K3Am0.4564、解： 該激光束的光通量札=KmV仏）*e =683x0.240x2x1020.328Lm （流明）發(fā)光強度0.328Ar.（1X104 =4.2x105（3.28x105）cd（

15、坎德拉）光亮度Lvlv4.2 X105-3 2= 5.35d011（或 4.2d011）Cd/mS （V10）/4光出射度0.328-3 2=4.2x105 Lm/mAS （仆10）2兀/410米遠(yuǎn)處光斑面積大小:兀 23 14325 2S = （L 也 ）2 =（10X1X10）2 =7.85X10 上 m4反射光功率為:p = PP =0.85x2x10 =1.70W反射光通量V =PKmV仏）=1.7x10X 683x0.240 = 0.279Lm漫反射屏可以看作是個朗伯體,其法向發(fā)光強度1。與光通量的關(guān)系是1。=帖兀，由于朗伯體的光亮度與方向無關(guān)，所以:LvI0S0.279323.17

16、.810- 130 Cd/m7、第三章2兀 X2.0X107 =8.0X104 S1、解: 300K 時，rn =1.5咒1O10/cm3，打 Nd =1015遠(yuǎn)大于 ni，所以P二Nd + n?i05。而n2 =np,2n=np225 160 ccf “ 耳=2-25?10個 /cm21015其費米能級NdEfn =Ei + kTLn dni_20=Ei +4.6 咒 10(J) -Ej +0.29(eV)其能級圖如右。2、_23=Ei + 1.38x10X 300Ln10151.5X1010解：300K時,因 ni =1.5xl010/cm3, n = Nd + ni 止 225咒1016

17、2niP =一n202.2510=104 個/cm22.25x10其費米能級Ndo32 25X1016Efn+kTL n = Ei +1.380x300Ln ni1.5x10=Ei +6.73100()活 +0.42(eV)其能級圖如右。6、解：因為歸一化探測率D* =NEPf，所以jAd3NEP = *D這就是能探測的最小輻射功率。4、解：(a)300K時，本征硅的電導(dǎo)率CT =nqn + pq4p =niqWn *p)10196= 1.5d0 X 1.6x10(1350+480) =4.4d0 (/o cm)(b)摻雜率10-8,則摻入的施主濃度為Nd =5咒1022 X 10=51014

18、所以，.入1屮，.鹽丿W估CT =nq4n + pq% = (5咒1014咒1350+4.5咒104 x 480)咒1.6咒109 =0.108(/0 cm)解：該金屬光電發(fā)射體的逸出功為2.5eV,所以W=E0-Ef=25eV，且E。-Ec= 7.5eV。(a)發(fā)生光電效應(yīng)的長波限:竺二竺竺U00芻4.970訃W2.5x1.6x10(b)費米能級相對于導(dǎo)帶底的能級差=Ef -Ec =(Eo -2.5)-(Eo-7.5)=5.0eV第四章10、解：(b)陰極電流 Ik =SkES=20x0.1x2x104 =4M0dPA倍增系數(shù)陽極電流M =5(名b)n =0.98咒(0.95咒4)11 =2

19、.34x106Ia =IkM =410 鼻咒 2.34M06 =9.36 咒 1024A11、解：光電倍增管的增益與每級電壓的kn次方成正比。其中k為0.708, n是倍增級數(shù)。既:M =AV kn，所以dM , dV=kn MV如要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定度大于1%則電壓的穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于dV1 dMknM 0I12201.04 糾O12、解：因為陽極電流Ia = SkESM，所以最大光照度1 K max200max=4 =0.4 lxSkSM 25x2x10 X105第五章2、解：光敏電阻中的光電流I= (Sg +g0)EU，所消耗的電功率為P = IU，所以極限照度為;EmaxPmax40x10(S

20、g +g0)U2(0.5x10+0)x 202 2 00|x1-4第八章4、解：由題意，電荷轉(zhuǎn)移率為字=(1-g)n上累=0.5，式中n = 2m = 2048 ，所以：n Q0In0.5 =3.38X10 20483、解：電路如右圖所示。RlR上的分壓為U,右U，所以Rt =U -UlUlRl題5 3圖無光照時R*-122001.106有光照時12-2 4Rt2 =X2000 =104Q因為光電導(dǎo)bp =Gp所以光照度-Go = Sg EGp -GoE =Sg-1)11 1 1.時(硬一ET.5 Lx4、已知CdS光敏電阻的暗電阻Rd=10 MQ ,在照度為100 Lx時亮電阻R=5 KQ。

21、用此光敏 電阻控制繼電器，其原理如圖所示。如果繼電器的線圈電阻為2 mA，問需要多少照度時才能使繼電器吸合？如果需要在此電路需作如何改進(jìn)？4KQ，繼電器的吸合電流為400 Lx時繼電器才能吸合，則解：由題意，Rl =4k0Sg=Gp-Gog ECdS12V-丄）=丄 J1005000 10=2心0七 繼電器吸合時的電流為U 122勺0Rp +Rl 丁2mA由=6咒1030Rp =2k02冥10上咒2咒103_25咒10 lX由題意，繼電器吸合時的電流為 2mA總電阻應(yīng)為6千歐，而光敏電阻的阻值是11Rp =6=1.25kCSgE 2d0（x400繼電器的電阻是4千歐，所以還應(yīng)串接一個 750歐

22、姆的電阻。（也可將電源電壓降為10.5 伏）。Ub5、I =b解：（a）恒流偏置， C （1+b）&+rbeUbUoEc-命昵U -v-UIe=Ub(b+1) lc= b(b)恒壓偏置，Ue-y-Ube，(1+b)F+rbe，(1+ b)Rg + rbeUbUoMcRMF+bRc第六章6、解：因為微安表滿量程電流為所以 R0.321401.4X10；在微安表支路中，電流為100微安，故I2最大值是1.4毫安。這時光電池電壓0.3伏,&現(xiàn)有一塊光敏面積為0.3/ (100X 10-6) =3X 103歐姆，所以 R 為 2000 歐姆。5X 5mm2的硅光電池2CR21，其參數(shù)為S = 7nA/

23、Lx mm2，要求用一個量程為10V的電壓表作照度指示，測試照度分別為100LX和1000LX兩檔，試設(shè)計一個帶有運放的照度計，畫出其原理圖，并給出圖中元件的參數(shù)。解：由題意，運算放大器應(yīng)設(shè)計成電流一電壓變換器的形式，如圖所示。因為U = lscRf =SEARf在100 lx的照度下，U =10=5.7勺050SEA 7勺000x5x5同理，在100 lx的照度下，Rf =5.7勺040Rf所以,Rf =9、解：（1） 2CU2的暗電流為皿1宀A）(2)有光照時，Ip =SeE，V1 =(l p+ ld)Rf，所以:S1（Id）=著（1.5 訕2.4 $4x10 =1.2x10A/lx10、

24、用2CU1型光電二極管接收輻射信號，如題 611圖所示。已知2CU1的靈敏度S護(hù)=0.4A/W，暗電流小于0.2AA，3DG6C2CU1+18V的P =50。當(dāng)最大輻射功率為400 W時的拐點電壓VM =10V,求獲得最大電壓輸出時的R。值。若入射輻射功率由400 MW減3DG6oVoRe小到350 MW時，輸出電壓的變化量是多少？解：由于最大光電流Ip max =Sq4max =0.4x400 = 160AA遠(yuǎn)大于暗題6 11圖電流Id =0.2 4A，所以暗電流可以忽略。a）最大輻射功率為400 pW時，拐點電壓Vm =10V，這時輸出電壓Uo =Ucc -Ube -Um =18-0.7-

25、10 = 7.3V由于 U。=leRe =(P +1)為maxRe，所以7.3R =0= 895Ce (P +1)Sq/aX(50 + 1)咒0.4天400 冥 10 上b)當(dāng)輻射功率從400 pW減小到350 yW時，AUO =ReAIe =(P + 1)S 半 A4Re =(5 0 + 1)x0.450x10dK895 = 0.91V11、解：由題意，應(yīng)由直流負(fù)載電阻 RC來確定直流工作點，放大器輸入電阻 Ri與直流負(fù)載電阻Rc并聯(lián)共同組成光電二極管的交流負(fù)載。其檢測電路和交流等效電路如圖所示。(1)在直流靜態(tài)工作點Q,應(yīng)有Iq =G0Vq SeE。=(Vb Vq)Gc在交流情況下，應(yīng)有(Vq -Vm)(Go +Gc +Gi)=SEEm在取得最大輸出功率的情況下，應(yīng)有 Gj =G0 +Gc ,以上三式聯(lián)立求解，得:cSe(E2Eo2GoVmGc =2(Vb+VM)所以:0.5M0”x(3 +2%5)+ 2x0.005x102x(4010) 600 SGi =Go +Gc =0.005+丄6001150Rj =1500(2)輸入給放大器的電流為其有效值為 電壓有效值為 功率有效值為(如取結(jié)間電導(dǎo)ntii =-SEEmsi nt =0.5X0.5X