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光电技术综合习题解答 一、单项选择题一、单项选择题 在光电倍增管中，产生光电效应的是（ ）。 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（ ）。 A加热 B加正向偏压 C加反向偏压D 零偏压 1学校课堂 光电技术综合习题解答 一、单项选择题一、单项选择题 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 2学校课堂 辐射通量，光通量，发光强度，光照度的单位分别为（ ）。 (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（ ）。 (A)外光电效应 (B)光热效应 (C)光电导效应 (D)光生伏特效应 3学校课堂 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 4学校课堂 二二 填空题填空题 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 氦氖激光器以 直流 电源驱动。 4 发光二极管是 注入式电致发光器件 器件。 7 光伏器件有光伏工作模式和光导工作模式两种工作模式。 5学校课堂 三三 简答题简答题 1、 掺杂对半导体导电性能的影响是什么？ 答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级 ，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去 ，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少 量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目， 从而显著地影响半导体的电导率。 6学校课堂 2、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？ 答：光电倍增管由光入射窗、光电阴极，电子光学输入系统 (光电阴极到第一倍增极D1之间的系统)、二次发射倍增系统 及阳极等构成。 工作原理：光子透过入射窗入射到光电阴极K上。此时光电阴 极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过 电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增 极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍 增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极a收 集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。 7学校课堂 g E g E eVm 241. 3、半导体发光二极管的发光原理？ 答：半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下 的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低 的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发 生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的 电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近 稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时， 便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射 ，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 ，即 8学校课堂 4、简述注入式半导体激光器的发光过程。 答：注入式半导体激光器的工作过程是，加外电源使PN结进行正 偏置。正向电流达到一定程度时，PN结区即发生导带对于价带的 粒子数反转。这时，导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁，同 时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总 会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，往返于半导体之间 。通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光 放大）。受激辐射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电 子产生受激辐射。如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐 振腔两端发射出激光。只要外电源不断的向PN结注入电子，导带 对于价带的粒子数反转就会继续下去，受激辐射即可不停地发生 ，这就是注入式半导体激光器的发光过程。9学校课堂 9、简述光电耦合器件的电流传输比与晶体管的电流放大倍数 的区别？ 答：晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即大； 光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子是与光激 发出的空穴相复合而成为光复和电流，可用IF表示， 为光激 发效率（它是发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率 及二者之间距离有关的系数）。一般光激发效率比较低，所以 IF大于IC。即光电耦合器件在不加复合放大三极管时， 小于1。 10学校课堂 1、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、钨丝灯所发出总的光通量为多少？ 解：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) )sr(1025. 1 2 105 . 0 5 2 4 2 r A 11学校课堂 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 )lm(5000 1025. 1 4 100 . 5 4 5 3 vv AE 12学校课堂 2 2、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， 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？ 13学校课堂 解：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 16 834 36 ee 1091. 1 10310626. 6 106106328. 0 hc h N （个/秒） 14学校课堂 3 3 、在如图所示的恒流偏置电路中，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） 光敏电阻 试求： 输出电压为8V时的照度为多少lx ？ 解：解：首先看稳压二极管是否工作在稳压状态， 9.8(mA) 820 412 b wbb w R UU I 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) DW R Rp R U Ubb b e 0 15学校课堂 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); 7 . 0 lglg lglg 12 21 EE RR 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） 16学校课堂 4、在如图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R b =1k， RC=510, 三极管的电流放大倍率不小于80，电源电 压Ubb=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？ DW R Rc R U Ubb b p 0 解解 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。 17学校课堂 设光照度为150lx时的输出电流为I1，与光敏电阻的阻值 R1，则 )mA(92. 3 510 101210 c bb 1 R U I DW R Rc R U Ubb b p 0 k4 . 1 92. 3 7 . 067 . 0 1 W 1 I U R 18学校课堂 同样,照度为300lx时流过光敏电阻的电流I2与电阻R2为 7.8(mA) 8 I c bb 2 R U 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 66. 0 lglg lglg 12 21 EE RR 19学校课堂 当输出电压为9V时，设流过光敏电阻的电流为I3，阻值 为R3，则 (mA)88. 5 9 c bb 3 R U I 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 66. 0 lglg lglg 23 32 EE RR 292. 2 0.66 lglg lglg 32 23 RR EE E3=196(lx) 20学校课堂 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。 21学校课堂 光电子发射探测器 5、设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6lm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？ 22学校课堂 解解 (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=4010-60.610-6=2410-6A 此时，PMT的增益G应为 5 6 min 1002. 1 1024 439. 2 K a I I G 23学校课堂 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 0.7 DD) (2 . 0U V78 2 . 0 7 . 0 DD U 总电源电压Ubb为 Ubb=（N+1.5）UDD=741V N G 5 6 min 1002. 1 1024 439. 2 K a I I G 24学校课堂 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。 (2) 计算偏置电路电阻链的阻值 25学校课堂 (3) 输出信号电压的稳定度最高为 %056. 0%01. 087 . 07 . 0 bb bb U U n U U 26学校课堂 6 6、光电倍增管、光电倍增管GDB44FGDB44F的阴极光照灵敏度为的阴极光照灵敏度为0.5A/lm0.5A/lm， 阳极灵敏度为阳极灵敏度为50A/lm50A/lm，要求长期使用时阳极允许电流限，要求长期使用时阳极允许电流限 制在制在2A2A以内。求（以内。求（1 1）阴极面上允许的最大光通量。）阴极面上允许的最大光通量。 （2 2）当阳极电阻为）当阳极电阻为75K75K时，最大的输出电压。时，最大的输出电压。 （3 3）若已知该光电倍增管为）若已知该光电倍增管为1212级的级的CsSbCsSb倍增极，其倍倍增极，其倍 增系数增系数 , ,计算它的供电电压。计算它的供电电压。 （4 4）当要求输出信号的稳定度为）当要求输出信号的稳定度为1%1%时，求高压电源电时，求高压电源电 压的稳定度。压的稳定度。 7 . 0 2 . 0 DD U 27学校课堂 解解 (1)(1)阴极面上允许的最大光通量阴极面上允许的最大光通量 )lm(104 50 102 / 8 6 AamVm SI (2)(2)最大的输出电压最大的输出电压 VRIU Lao 15. 01075102 36 maxmax 28学校课堂 (3)(3)供电电压供电电压 8 6 101 105 . 0 50 K A S S G CsSbCsSb倍增极材料的增益倍增极材料的增益与极间电压与极间电压U UDD DD有 有 0.7 DD )(2 . 0U V89 2 . 0 7 . 0 DD U N G N N=12=12，每一级的增益，每一级的增益=4.642=4.642 总电源电压总电源电压U Ucc cc为 为 Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V 29学校课堂 %1 DD DD o o U U Kn G G U U (4) (4) 输出信号电压的稳定度最高为输出信号电压的稳定度最高为 %119. 0 127 . 0 1 %1 DD DD U U 30学校课堂 光生伏特器件 7、已知某光电三极管的伏安特性曲线如图已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通所示。当入射光通 量为正弦调制量量为正弦调制量v, =55 +40sin t lm时，今要得到时，今要得到5V的输出电压，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。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+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。 31学校课堂 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 ， “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。 32学校课堂 8、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 )( beBL L1 BC rRR RI II CCbbO RIUU 33学校课堂 输出电压变化量为UO= ICRC，即 式中I1= SEV， I1= S EV， )( beBL CLV O rRR RRES U 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) )mA(35. 0 1 BL L C I RR R I U0= Ubb IC RC=12 0.35=11.65(v) 34学校课堂
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