光电技术复习大纲.doc

光电技术复习大纲1. 光电技术特征是什么?它的核心是什么?它的最基本的理论是什么?（1）光电技术的特征：利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等2）核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中最基本的理论：光的波粒二象性2. 什么是光电器件?它的分类有哪些?举例说明.（1）凡能完成光电或电光转换及在光电系统中能对光路传输，光电转换起到调节或控制作用的器件，都应归入光电器件2）电光信息转换：1.发光二极管2.半导体激光器3.液晶显示器4.阴极射线管5.等离子体显示板光电信息转换：光电发射效应器件：光电倍增管；光电导效应器件：光敏电阻；光生伏特效应器件：光敏二极管；热释电效应器件：热释电探测器3. 光学具有哪些学说?几何光学和波动光学它们研究内容主要是什么?（1）光的粒子性，光的波动性，光的电磁学说，光的量子学说，几何光学，物理光学，量子光学，应用光学2）几何光学是几个实验得来的基本原理出发的，来研究光的传播问题的学科用波动光学可以圆满的解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播，在进一步研究中观察到了光的偏振和偏振光的干涉4. 什么是光程?发生全发射的条件是什么?（1）光程等于光在介质中经过的几何路程 l 与该介质的折射率 n 的乘积（2） （）5. 光的干涉条件是什么?衍射现象是什么?干涉和衍射现象本质是什么?（1）1`频率相同；2.相位差恒定；3光矢量振动方向平行。

2)光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象；(3)光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布；6. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?可见光的波段是多少?(1)辐射度学：  对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学；是用能量单位描述光辐射能的客观物理量辐射度学研究范围为整个电磁辐射谱区光度学：在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm纳米即光度学量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到的辐射量的度量，它与人的生理学、心理学特性直接相关 辐射度参量一般用下脚标e表示，光度学参量则用下脚标v表示2)可见光波段（760~380nm）7. 热辐射与发光的区别是什么?什么是黑体?（1） 凡能发射连续光谱，且辐射是温度的函数的物体，叫做热辐射物体不是靠加热保持温度使辐射维持下去，而是考外部能量激发的辐射，称为发光2） 能够完全吸收从任何角度入射的任一波长的辐射，并且在每个方向上都能最大限度的发射任意波长辐射能的物体，称为黑体，显然黑体的吸收系数为1，发射系数也为1.8. 什么是I类半导体,P型半导体和N型半导体?(1)I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。

在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子2)在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子.在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体 P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成9. 什么是光电效应？外光电效应与内光电效应的区别是什么?(1)物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象 (2)外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。

10. 什么是光电发射效应?光电发射阈值的含义是什么?它与”逸出功”有什么区别?(1)具有能量hν的光子，被物质（金属或半导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流这就是物质的光电发射现象光电发射现象又叫做外光电效应 可以发射电子的物质称为光电发射体2)“光电发射阈值”用Eth表示，它与光电发射阴极的暗电流有关3)它与“逸出功”的区别：电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出的最小能量，能更好地分析光电发射是所需要的电子发射条件11. 什么是光电导效应? 光生伏特效应的主要特点是什么?光敏电阻的光电特性是什么?(1)半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应2)特点：⑴光照度越强，光生电动势也就越大 ⑵当PN结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由经外电路到的方向流动只要辐射光不停止，这个电流就不会消失这就是PN结被光照射时产生光生电动势和光电流的机理3)电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏这个特性称为光敏电阻的光电特性。

12. 什么是信噪比(S/N),噪声的等效功率?光敏电阻的主要噪声有哪些?(1)信噪比是判定噪声大小的参数，是负载电阻上信号功率和噪声功率之比噪声等效功率：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)2)光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声) 13. 写出硅光电二极管的全电流方程,说明各项的物理含义? 式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数 14. 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些?怎样提高硅光电二极管的频率响应?(1)影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间τp，如何扩展PN结区是提高硅光电二极管时间响应重要措施2)1）减小PN结面积；2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；3）适当增加工作电压；4）尽量减少结构造成的分布电容；5）增加PN结深，减小串联电阻；6）设计选用最佳负载阻值15. 雪崩光电二极管工作原理是什么?雪崩击穿电压是指什么?使用时应注意哪些因素的影响?初始的载流子在强电场的作用下获得很大的动能，其在高速运动过程总与晶体的晶格碰撞，产生新的电子空穴对，称为碰撞电离过程。

此过程多次重复从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应1)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管，这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压2)(1)雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大；(2)由于材料本身(特别是表面部分)具有一定的缺陷， 使PN结的各区域电场分布不均匀，局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声为避免这一情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意 雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当过小时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高可能使管子被击穿烧毁由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压16. 光电三极的内部结构是怎样的?它的工作原理是什么?(1)光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN结构与PNP结构2)光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大 17. 硅光电池有哪些分类？它们有什么特点和用途？按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm,短波峰值600nm18. 硅光电池的内阻与哪些因素有关?在什么条件下硅光电池的输出功率最大?（1）极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。

(2) 显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax 19. 光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点?(1)光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路2)特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路反向偏置电路：光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中零偏置电路：光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流Isc与入射辐射量（如照度）或线性关系变化，因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路20. 选用光电器件的基本原则有哪些?1.与辐射信号源和光学系统在光谱特性上匹配2.光电转换特性与入射辐射能量匹配3.光电器件的时间响应特性必须与光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配4、光电器件与变换电路必须与后面的应用电路的输入阻抗良好的匹配5.为保证器件长期工作时的可靠性，必须选择期间的参数和使用环境等。

21. 光电发射器件最重要部件是什么?它的作用是什么?光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子的部件22. 充气型光电管的工作原理是什么?它与真空型光电管相比较有什么优点?(1)光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 2）优点：灵敏度高23. 光电倍增管的工作原理是什么?光电倍增管的疲劳与衰老的含义,两者的差别是什么?(1)当光子照射至光阴极上时，由于光电效应，致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子由于相邻电极之间电压逐渐增高，在电场作用下，电子将被加速轰击到第一打拿极上，发射出成倍的二次电子继而它们又轰击第二打拿极，依次下去，电子逐级倍增最后聚集到阳极上的电子数，可达阴极发射电子数的10倍利用外光电效应和二次电子发射相结合即——把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电探测器件2)疲劳：在较强的辐射作用下，倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳，这是暂时现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来，当然过度的疲劳可能造成永久的损失衰老：光电倍增管在正常使用情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降且不能恢复，将这种现象称为衰老，这是真空器件特有的现象。

区别：疲劳是暂时的，衰老是永不能恢复灵敏度的24. 热释电器件为什么不能工作在直流状态下?工作频率等于何值时热释电器件的电压灵敏度达到最大值?（1）见书P108页倒数第二段，P111页电压灵敏度公式2）见书P112页与频率之间的关系25. 热释电器件的最小可探测功率与哪些因素有关?答：调制频率，负载电阻，抑制噪声能力26. 热电偶器件的工作原理是什么?它的优缺点有哪些?(1)热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路由于两种不同金属所携带。