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1、-!光电技术习题第一章第一部分：1. 已知表示光电导体的灵敏度的G （光电增益）=3t / tL，式中B为量子产额；T为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，请推导：G = 3 （T nu n + T PU p ）U/|2式中T n和Tp分别为自由电子和空穴的寿命；卩 n和卩p分别为自由电子和空穴 的迁移率。答：G= 3t /tLtL=l/ 卩 E=l2/u UG= 3tu U/l22G =3 （ T nu n + T p u p ）U/l2. 简答P型与N型半导体杂质能级区别答：N型半导体掺有5价的杂质原子，如磷、砷。杂质引进的额外的
2、电子占有恰在导带下方 的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特。这些额外的电子容易被杂质原子释 放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。P型半导体掺有3价的杂质原子，如硼、铝。杂质引进空的分立能级，这些能级的位置 很靠近价带顶。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个 过程在价带中产生空态即空穴。3. 比较直线性光电导与抛物线性光电导的主要特性。答：在直线性光电导的弛豫中，光电流都按指数规律上升和下降。在t= T时，光电流上升1 1到饱和值的（i-e），或下降到饱和值的-，上升和下降是对称的。显然，直线性光电导的弛豫时间与光强无关。在非线性光电导情
3、况下，光电导的弛豫现象比较复杂。它取决于复杂的复合机理，并且 上升和下降都不对称，我们可以用（一1错误!未定义书签。）1/2来表示弛豫时间。光In a3 b照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值tanh仁0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。显然，抛物线性光电导的弛豫时间与光强有关。光强 越高，弛豫时间越短。4. 举一简例说明研究光电导的光谱分布有何实际应用。答：（1）做特定的光谱特性的传感器（2）起节省滤光片的作用5. 简述光生伏特效应与热释电效应的原因及其应用。答：光生伏特效应：由光照引起电动势的现象。包括两种类型：（1）发生在均匀半导体材料内部；（2）发生在半
4、导体的界面。pn结的空间电荷区的电场，称为自建电场。光照产生的电 子空穴对，在自建电场作用下的运动，是形成光生伏特效应的原因。光生伏特效应的应 用：（1）太阳能电池；光电探测器件。热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电 场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释 电效应。热释电效应的应用：红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱反接 收器等。P型半导体，从曲线中看到，
5、长波限在 0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是P型，长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从 P型转变为N型，从曲线中可看到长波限相应于 0.2eV。这与用其他方法测出的金锗中形成多重能级的电离能是一致的。7.设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为10处有一个辐射强度为Ie的点源S, 如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。答:d en Rc2n Rc2Ie=dF，d Q =育，d e=IeH*8.如图所示，设小面源的面积为 As，辐射亮度为Le,面源法线与10的夹角为s； 被照面的面积为 Ac,至麵源 As的距离为10。若c为辐射在被照面
6、Ac的入射角，试计 算小面源在 Ac上产生的辐射照度。（选做题，参见讲稿§ 1.2.1光的有关概念与度量）第2题图用定义Lede 和Ee e求解。Ar cos rdA*9.从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长m随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出（选做题，参见讲稿§ 1.2.1光的有关概念与度量）mT常数。这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898 10-3m?K。第二部分：1.正透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度_厚_ ;负透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度薄。2 .单片正透镜是一个最简单的放大镜。3. 工作在物镜面附近的透镜
7、称为场镜4. 探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，使像面浸没在折射率较高的介质中。它的主要作用是显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比。5 .阶梯透镜是有“阶梯”形不连续表面的透镜；“阶梯”由一系列 同心圆环状带区构成，故又称环带透镜。优点: 厚度小，重量轻，光吸收损失小。6 .设球面曲率半径为 R,则球面镜的焦距为 R/2，这一数值与光的波长无关，也就是说 球面镜不产生色差 。7.光锥为一种 非成像的 聚光元件，可 增加光照度 或 减小探测面积的作用。8 .光楔常用作，利用光楔的移动或转动来测量或补偿微小的角量或线量。9.干涉滤光片主要功能是分割光谱带，常见的有：截止滤光片和带通滤光片。10
8、 光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量 按 被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。11 分别简答下列三个图调制方法(光强度调制)答：(1)利用电磁感应的机械调制 ：将永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈 中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯另一端上固定挡片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。(2) 调制盘：在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。旋转时，通过盘的光脉 冲周期性地变化。光脉冲的形状
9、：决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。(3) 受抑全反射调制器：入射光在固定棱镜斜面处满足全反射条件。在交变电压作用 下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解为两束相互垂直的调制光。12 .光波在传播时被 超声波衍射 的现象叫做 声光 效应。13 .利用偏振光振动面旋转， 实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为l = l0COS2a ，式中Io为两偏振器主平面一致时所通过的光强；a为两偏振器主平面间的夹角。14 .克尔效应：指的是某些各向同性的介质在电场作用下变成各向异性，光束通过将会产生 双折射 现象。15.实验表明，克尔效应的两束偏振光的折射率之差n
10、e-no与电场强度E成正比，而泡克耳效应的两束偏振光的折射率之差ne-no与所加所加电场E 成正比。16 何为磁光效应？目前在磁光效应方面，主要是哪两种效应来获得光偏振调制？ “法 拉第”旋光效应偏振光在磁场内偏振面旋转的角度表达式如何？答：磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。主要利用“法拉第”旋光效应和科登-穆顿效应来获得光偏振调制。法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。在磁场内偏振面的旋转角度a =VBL交变磁场B=B osin 3 t调制光强1=1 ocos( $ -BVLsin 31)17 光的频率调制
11、，主要是指光学_多普勒_ 一频移?下图为利用热色物质颜色变化的波长调制来检测18 .波长调制有哪几种(至少举三种) 液体温度的示意图，说明其检测原理。白光舗化恰拓釉nmSCO lira誨医/ inmi答: (1)利用热色物质的颜色变化进行波长调制检测原理：白光进入热变色溶液，其反射光经650nm和800nm的滤光片，由探测器接收。上图所示的热变色溶液，温度为20o C时，在500 nm处有个吸收峰，溶液呈红色；升 到75o C时，在650 nm处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为650 nm时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800 nm时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测(即波长检
12、测)就能确定外界物理量。(2) 利用磷光(荧光)光谱的变化进行波长调制(3) 利用黑体辐射进行波长调制(4) 利用滤光器参数的变化进行波长调制19.放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成 Au=Au(j o )= d(A 3 )彳熔“式中f是频率，3是角频率，丨Au(j 3 )丨表示放大器的放大量与频率的关系，称为幅-频特性 ，© ( 3 )表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系，称为 相-频特性_，它们合称为放大器的频率特性，也称为频率响应。21利用理想运算放大器的近似条件写出下列各图的u0的值图aR2答： 图 a： U0= - (U1+U2+ + Un)'
13、RlR2Rn '图b: uo= - RCdt1图 c：UoUidt Uo (0)RCRfiRfiRfi图d： U01=(1+RW)U1 +RWU2=U1-(U2-U1)rwRf2Rf2U02=(1 + RW ) J2 -RRf2Ui= U2+( U2 -Ji)-RWRfJo=R(U01-U02)RfR(1 +Rf1+Rf2Rw)(U2+U1)21 .上题的图b中，当输入为方波时，输出为 尖脉冲波：;图C中，当输入为方波时，输出 为三角波，当输入为正弦波时，输出为 余弦波;图d中，当输入为方波时，输出为 方波, 当输入为正弦波时，输出为正弦波。22指出下面两图各何种滤波器，分别写出其传递
14、函数及幅频特性表达式oUiRfUo?Ui频幅特性:(1RfR1 )1 j RC图二：一阶有源高通滤波器 传递函数：UoUi(1RfR1Uo?Ui频幅特性:RC)(1RF)1023.写出下图的传递函数答:RfU o+U o af ?uAf=1+Rf/RiUi UpRUp URUp Uo1/ j C"pj C1 j rc?"U o""?UiAf1 ()2o1尹af)1RC24下图所示为开关电容滤波器，画出其等效电路并写出其传递函数答：等效电路:l；G25下图为迟滞比较器电路，请写出其迟滞宽度（上门限电压Uih和下门限电压 Uil之差） U表达式.答：Uref
15、当U+ = u-时，输出电压的状态发生跳变。RfR2RFu refR2R2RF若uo = +Uz,当UI逐渐增大时，使uo由+Uz跳变为-Uz所需的门限电平 Ut+UtrefR2R2RFUz若Uo= Uz，当ui逐渐减小时，使uo由Uz跳变为Uz所需的门限电平Ut-UtRfR2RFU REFr;V回差（门限宽度）Ut： Ut Ut Ut2RUzR2 RF28.下图为采样保持电路的原理图。请简要分析其工作原理答：采样控制信号u为一矩形波，使运放工作在采样和保持两种状态。在采样周期中，场效应管VF导通，电容C迅速充电到ui的数值；当采样信号结束处于保持周期时，VF截止，电容C无放电通路，故保持采样结束时的电压值，直至下一采样周期的到来。由于运算放 大器接成同相跟随器，输出电压与电容电压相同，即uo=uc，输入u和输出uo的波形如下-I图所示。