光电技术 王庆有 习题参完整版 不包含题目

辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？

答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。

光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

2 试写出 e、Me、e、Le 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。 答：辐（射）能Qe：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用

符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。 辐（射）通量e：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称

为辐（射）通量，以符号e表示，其计量单位是瓦（W），即

1

e =dQedt 。

辐（射）出（射）度Me：对面积为A的有限面光源，表面某点处的面元向半球

面空间内发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐（射）出（射）度Me，即Me=位是瓦每平方米[W/m2]。

辐（射）强度e：对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐射通量de，

与该方向立体角元d之比，定义为点光源在该方向的辐（射）

d强度e，即e =e，辐射强度的计量单位是瓦特每球面

d

度（W/sr）。

辐射亮度Le：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元

在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度Le，

de

dA。其计量单

1

d2edIe

Le= =，式中，θ为所给方向与面元法线间

dAcosddAcos的夹角。其计量单位是瓦特每球面度平方米[W/（sr. m2）]。

3 何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？

答：一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足

dIedIe0cos

式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。 黑体为理想的余弦辐射体。它满足黑体辐射定律：

a.普朗克辐射定律 黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射出射度Me,是黑体温度T和波长λ的函数，这就是普朗克辐射定律；

b.斯忒藩—玻尔兹曼定律 黑体的总辐射出射度为对Me,积分，得到其为σT4； c.维恩位移定律 峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动。

4 试举例说明辐射出射度 Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。 答：略。

5．试说明Km、K、KW的意义及区别。

答：Km为 人眼的明视觉最灵敏波长λm的光度参量对辐射度参量的转换常数，称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为683lm/W。

K对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有的辐射参量Xe,与所有的光度参量Xv,的关系。对于明视觉，刺激程度平衡条件为Xv,KmVXe, 令K =Xv,/ Xe,= Km×V，称为人眼的明视觉光谱光视效能。（其中定义V=

Le,m

Le,为正常人眼的明视觉光谱光视效率。m等

于0.555um）

定义一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量e之比，为该辐射体的光视效能K，K= KmV ，其中V为辐射体的光视效率。在光电信息变换技术领域常用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏

。 度等特性参数。定义标准钨丝灯的光视效能为Km ，Km =17．1 （lm/W）

（平面发散角为1mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通6．

量为e, =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为v, =KmVe, 又Km=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得v,为0.4815 lm。发光强度Iv,=

将光束平面发散角转换α= 1×10-3×180 /（π）=0.057度 则r = sin（α/2）=5×10-4带入公式得Ω= 8.17×10-7sr

v,，立体角为Ω=2π（1－（1－r2）1/2），

2

所以发光强度Iv,= 光出射度Mv, =

v,

= 0.4815/（8.17×10-7）=5.×105cd

v,

d

2

2

= 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx

a

（2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径r=10×tan+0.0005

2=5.5×10-3m， 面积A=r2 =7.85×10-5m2

A

（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射6.（平面发散角为0.02mrad）解：

通量为e, =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为v, =KmVe, 又Km=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得v,为0.4815 lm。 发光强度Iv,=

，由空间立体角的定义，

将光束平面发散角转换α= 0.02×10-3

由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径为rRsin

屏幕的光照度为Ev =

v, =6.13×103 lx

v,2

R

2

，则Ω=

r2

R2

所以发光强度Iv,= 光出射度Mv, =

v,

=

0.4815

4.67105cd

0.00000103

v,

d2

2

= 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx

（2）激光投射到

110

r10tan

22

3

10m远处屏幕上，可得接受面半径

1103

100.003366m

22

面积A=r2=3.56105 屏幕的光照度为Ev =

v,A

=

0.48154

1.35lx 105

3.5610

7．解：由题意有e, =3mW，又查表得V（0.5145um）=0.6082 光通量v, = KmVe, =683×0.6082×3=1.246×103 lm，

3

屏幕上的光照度Ev =

v,A

=1.246×103/（0.2×10-4）=6.23×107 lx

若屏幕的反射系数是0.8，则光出射度为Mv, =0.8×6.23×107=4.984×107 lx 设屏幕每分钟接收的光子数目为N，则Nhc =e,×60（1-0.8）

所以N=60×0.2×3×0.5145×10-6/ （3×108×6.63×10-34）=9.31×1019个/分钟

8.解：依题意，设光子流速率为N个/秒，则Nhc=e,

又e,=30mW，λ=0.6328um 所以N=

e,hc

= 9.54×1016个/秒

9．解：依题意，m = 0.465um，由维恩位移定律，m =28/T， 则太阳表面的温度T=28m

=6232.25K，又Me,s,m =1.309T5×10-15

4W.cm

2

计算得其峰值光谱辐射出射度Me,s,m=1.23×10由维恩位移定律，m28 =9.36um

T.um1

10.解：人体在正常体温时T=36.5+273=309.5K

当发烧到38.5时，T=38.5+273=311.5K，此时m28=9.303um

T峰值光谱辐射出射度Me,s,m1.309T51015=3.84mW.cm2.um1

11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限L1.24所以杂质电离能i1.24Ei

L =1.24/13=0.095ev

V

，而辐射灵敏度SeI

12.解：光照灵敏度SVI

e

，

又标准钨丝灯的辐射量与光度量的转化关系为Kw =17.1（lm/W），

v

所以SvKwSe，又Sv =200uA/lm

e

Kw

则其辐射灵敏度Se=200×17.1=3.42mA/lm。

13.解：依题意，辐射通量为100W，则它的辐射强度为Ie1004=7.96cd

对应于0.2sr范围的辐射通量为eIe0.27.960.21.592W

4

由Kw

v

e

则对应的光通量v1Kwe17.11.59227.223lm

所以100W的标准钨丝灯在0.2sr范围内所发出的光通量为27.223lm。

14.解：设甲厂生产的光电器件的光照灵敏度为Sv1，则有Sv1KWSe，

Sv1

Se

Kw

=5/17.1= 0.29 Alm

lm，

而乙厂光电器件的光照灵敏度是Sv = 0.4 A显然Sv1Sv，所以乙厂光电器件灵敏度高。

15.解：依题意， I1 =50uA，I2 =300uA，ID =1uA 而PN结两端的开路电压为Uoc

IkT

ln(1) qID

由于T不是定值，故只有当T=273K条件下才有：

Uoc1

KT501.381023273

In1In510.093V 19

1q1.610

Uoc2

KT3001.381023273

1InIn3010.134V 19

q1.6101

16.解：由L

hc1.24



EgEg

1.24

1.03um 1.2

17.答：在微弱辐射作用下，半导体的光电导为

qge,2hvl

又Eg=1.2 eV，则 L

可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量辐射作用下的光电灵敏度为

Sg

dgqde,hcl2

e,成线性关系。半导体材料在弱

S

可见，g为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间长度l的平方成反比。为了提高光电导器件的光电灵敏度

Sg

，一般就将光敏电阻的形状制造成蛇形。

还有就是增大了受光面积，也提高了光电灵敏度。

5

18.答：光生伏特效应是基于半导体PN结 基础上的一种将光能转换为电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，结果P区带正电，N区带负电，形成光生伏特电压或光生电流。CO2激光器输出光的波长（10.6um）远远超过激光器锗窗材料的本征吸收长波限，不可能产生光电子发射。

19.解：由L

1239

hc1239

nm 

EthEth

1239

1.82ev，即该光电发射材料的光电发射域值为1.82电子680

则Eth伏特。

L



20.解：由L

1.241.24

Eg EgL

又L1.4um 所以Eg

1.24

L



1.24

0.886ev 1.4

6

光电技术第二章参

2.1解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80）nNe,(1e求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为

t/，并对其)代入（1-83）

Sg

dgq(1et/)，由此可知时间t响应越长，灵敏度越高。 2

de,hcl

2.2 解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。 其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决定热生电子浓度不同，同样也决定了值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。 2.3解：由式（2-1）IpUSgE得 最大照度E(

r

IP2P

)(2)2=22500 lx USgUSg

最小照度E

IPP

2=150 lx USgUSg

2.4解：在照明控制电路中，入射辐射很强r=0.5，光敏电阻分压 UC=220-0.002*（1+5）*1000=208 V

由IpUSgE得，E(

r

IP2

lx ) 369.8

USg

IP

=220—0.002*（5+R）*1000，推出SgE

在光照度在3lx时，入射辐射很弱，r=1，由UR=820，故应将R值调到820。 2.5 解：由r

lgR1lgR2r(lgE2lgE1)lgR2

得R110=1835.6 

lgE2lgE1

2.6 解：由r

lgR1lgR2lg550lg450

得r=0.596

lg700lg500lgE2lgE1

lgR2r(lgE2lgE1)

当光照为550lx时，R110当光照为600lx时，R110

= 519.53  =493.3 

lgR2r(lgE2lgE1)

2.7 解：根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流

Iw

UbbUw8

9.8mA 满足稳压管的工作条件

Rb820

UwUbe40.7

1mA 3

Re3.3*10

(1) 当Uw4V时，Ie

由

Rp

UbbU0

得输出电压为6伏时电阻R16K， Ie

输出电压为9伏时电阻R23K，故r

lgR1lgR2

=1；

lgE2lgE1

UbbU0lgR1lgR2

=4K，代入r

lgE2lgE1Ie

输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为Rp解得E=60lx

(2) 与（1）类似，得到E=34lx

(3) 当Re3.3K时，Ie1mA,r=1,RP6K 解得Rp3.4K

U0UbbIeRp=8.6V

当Re6K时，Ie0.55mA,r=1,RP6K 解得Rp3.4K

U0UbbIeRp=10V

(4) 电路的电压灵敏度Sv

U86

0.1(v/lx) E6040

2.8 解：选用光敏电阻MG45-7，其值为0.6，设计的电路图如教材P41图2-14所示，选择2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6V，Rb1 查表得当光照为100lx时，亮电阻为100，由

lgR1lgR2lgE2lgE1

得

lg100*103lgR0.6，R=75，U0UCCICRC，输出电压的变化

lg150lg100

UUCCIC1RC(UCCIC2RC)(IC2IC1)RC2,

即(

66

)Rc2,得Rc100

75*103100*103

2.9 ① × ②√ ③× ④√ ⑤×

2.10 解：在没有光照的情况下通过R3的电流

I1

Uw0.760.7

5.3*106A 6

R31*10

6

集电极电压U1UCCI1R3125.3*10

2

*220*10310.83V

在辐照度为1mw/cm情况下通过R3的电流

I2

UW0.760.7

2.65*107A 6

R30.2*10

6

集电极电压U2UCCI1R31226.5*10

*220*1036.17V

UU1U210.836.174.66V

2.11 解：Uth

R15.1

Ubb*126V

R1RW15.15.1

t(RW2R)Cln(Ubb/Uth)(8.215)*103*1*106ln(12/6)16.08ms

2.12 解：（a）通过光照调节RP的电阻值从而动态的控制集成运放电路的放大倍数 （b）通过光照调节RP的电阻值从而动态的调节集成运放同向输入端的输入电压。

光电技术第三章参

3.1 试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。 答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时，二者的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极管的伏安特性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必须小于0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压Uth值。 3.2 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。

答：硅光电二极管的全电流方程为

qUkT

I

qhc

(1e

d

)e,ID(e

1)

式中，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。 光电流为

I

无辐射时的电流为

q

(1ed)e, hqUkT

IID(e

为电子电荷量。

1)

ID为暗电流，U为加在光电二极管两端的电压，T为器件的温度，k为玻尔兹曼常熟，q

3.3 比较2CU型硅光电二极管和2DU型硅光电二极管的结构特点，说明引入环极的意义。

答：2CU型硅光电二极管是采用n型硅材料作基底，在n区的一面扩散三价元素硼而生成重掺杂p型层，p型层和n型硅相接触形成p-n结，引出电极，在光敏面上涂上SiO2保护膜。2DU型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的p型硅材料做基底，在p型基底上扩散五价元素磷，形成重掺杂n型层，p型硅和n型硅接触形成p-n结，在n区引出正极，并涂以透明的SiO2作为保护膜，基底镀镍蒸铝后引出负电极。在硅光电二极管的制造过程中，在光敏面上涂SiO2保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于SiO2中少量正离子的静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形p-n结而将受光面包围起来，即引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。











3.4 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107Hz？

答：影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：

（1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间dr，即漂移时间；

（2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间p，即扩散时间； （3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间RC。

对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间p是硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间p很长，约为100ns，则其最高工作频率

f

1

p

107Hz

此外，其频率响应特性还受延迟时间RC的影响。但是，在负载电阻RL低于500时，时间常数在ns量级。因此，合理匹配负载电阻的大小，并从结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件,可将延迟时间RC及扩散时间p对硅光电二极管频率响应特性的影响降到最低。

3.5 为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下的开路电压？

答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的p-n结产生的光生载流子

数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅光电池的开路电压表达式为Uoc

IqkT

ln(1)，将I(1ed)e,代入Uoc

hqID

dUoc

的表达式并求关于的一阶导数，令

d于输出电压UoILRL[IPID(e

qUkT

0，求得最大开路电压。由

max

qUkT

1)]RL，即包含了扩散电流IDe

和暗电流

ID的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压Uoc。

3.6 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？

答：硅光电池的内阻与动态结电阻Rsh及串联电阻Rs有关。在线性测量中， 动态电阻Rsh值越大越好；串联电阻Rs通常很小，在一些计算中可忽略。由于负载

2

获得的功率PLILRL，所以当选择负载电阻的值为最佳负载电阻值时，即若满足

dPLdL

0

RoptRL

则硅光电池的输出功率最大。

3.7 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？

答：光生伏特器件有以下几种偏置电路：

（1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最佳负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，在实际测量电路中很少应用。

（2）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和光电变换的动态范围加宽，被广泛应用于大范围的线性光电检测与光电变换中。

（3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流ISC与入射辐射量成线

性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。（1）由题意，在温度为300K条件下，当辐照度Ee为100mW/cm2时，3.8 解：

开路电压Uoc550mW，短路电流Isc6mA，则由

Uoc

IqkT

(1ed)e,得，在室温情况下，辐照度为ln(1)及IscIhqID

2

Ee150mW/cm时

Uoc1Uoc

，

Isc1

Ee150

I1Isc63mA

Ee100

，

KT1I1KTI 又T1T 11InIqIDqID

而ID

Ie

qUoc

kT

1

e

6103

1.610

19

55010

3

3.5291012A3.529109mA 1

1.381023300

则ID相对于I非常小，

Uoc1Uoc

I1IDKTlnqIIDKTI130.026lnln0.018V18mV qI6

所以Uoc1Uoc1855018532mV

（2）由于运放的开环增益A105，故可将电路视为零伏偏置电路，则

UoIsc2RfIsc2

Uo1

0.0416mA Rf24

则，Ee2



Isc20.0416

Ee1000.69mW/cm2 Isc6

3.9 解：由题意，当T=300K，Ee100mW/cm2时，

Uoc550mV,ISC28mA，则由

Uoc

qkTId 以及II(1e)e, ln1schvqID

Ee1200Isc2856mA Ee100

得I1Isc1

KT1I1KTIUoc1UocIn1I1又T1T qIDqID

而ID

eIqUocKT

1

28103e

550100.026

3

18.2441012A18.244109mA

1

则ID相对于I非常小，

Uoc1Uoc

I1IDKTlnqIIDKTI1560.026lnln0.018V18mV qI28

所以Uoc1Uoc0.018568mV

则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压Um0.6Uoc1340.8mV 而此时的输出电流近似等于光电流，即ImI156mA 则获得最大功率的最佳负载电阻Rl

Um340.8

6.08 56Im

最大输出功率PmUmIm340.85610319.08mW 转换效率m

Pm



Pm19.08

9.54%

Ee1S2001

e1

3.10 解：参见教材习题P77例3-2

3.11解：由题意，当最高入射辐射功率为400uW时，拐点电压为1.0V，则由Ipe,Si得Ip4000.4160uA，IbIpID1600.2159.8uA 由Ie1Ib51159.8uA8.15mA 又UoUbbUzUbe1210.710.3V 则Re

U010.3

1.2K1260 Ie8.15

由ISiEei，则I0.45020uA

从而Ie1I51201020uA1.02mA

所以有输出电压的变化量为U0IeRe1.0212601.285V

3.15答：PSD即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维PSD器件和二维PSD器件。用一维PSD来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下

图所示

被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即

xA

I2I1

L

I2I1

所输出的总光电流为 IPI1I2

3.16 答：理想的PSD器件要求P型层不仅是光敏层，而且是一个均匀的电阻层。电阻的均匀程度直接影响到光斑左右两侧的光电流差值的准确性。很显然，由于受制造工艺的影响，不可能做到电阻分布严格均匀，事实上距离中心较近的位置电阻均匀性较好，而偏离中心的位置电阻均匀性差。因此，检测的误差随位置偏离而增大。 3.17 ①D ②A ③D ④B

光电技术第四章参

4.1 何谓“光电发射阈值”？它与“逸出功”有什么区别？引入“光电发射阈值”对分析光电效应有什么意义？

答：电子由价带顶逸出物质表面所需要的最低能量，即为光电发射阈值。而逸出功是指电子逸出材料表面克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用所做的功。引入光电发射阈值对于研究材料的光电发射长波限以及热噪声都具有很重要的意义。 4.2 真空光电倍增管的倍增极有哪几种结构？各有什么特点？ 答：常用的倍增极材料有以下几种：

①锑化铯（CsSb）材料：具有很好的二次电子发射功能， 它可以较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时的δ值可高达10倍。但是，当电流较大时，它的增益将趋于不稳定。

②氧化的银镁合金（AgMgO[Cs]）材料：也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射的能力稍差些，但是，它可以在较强电流和较高的温度（150℃）下工作。它在400V电压时的发射系数δ值最大，约为6。

③铜-铍合金（铍的含量为2%）材料：也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数δ比银镁合金更低一些。

④新发展起来的负电子亲和势材料GaP[Cs],具有更高的二次电子发射功能，在电压1000V时，其倍增系数一般大于50，甚至高达200。

4.3 为什么常把光电倍增管的光电阴极做成球面？这样设计有什么优越性？ 答：球面型光电阴极的阴极表面分布比较均匀，而且从阴极中心和边缘发射的电子的轨迹长度相差甚小，可使渡越时间的离散性接近于零。

4.4 何谓光电倍增管的增益特性？光电倍增管各倍增极的发射系数δ与哪些因素有关？最主要的因素是什么？

答：电流放大倍数表征光电倍增管的增益特性，它不但与倍增极材料的二次发射系数δ有关，而且与光电倍增管的级数N有关。光电倍增管的各倍增极的发射系数δ与一次电子的加速电压Vd、倍增极的材料和结构有关。在几十~几百伏范围时，CVd。其中C是常数，k与倍增极的材料和结构有关。最主要的因素是一次电子的加速电压。 4.5 光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？ 答：产生暗电流的原因主要有：①欧姆漏电 ②热发射 ③残余气体放电 ④场致发射 ⑤玻璃壳放电和玻璃荧光

降低暗电流的方法主要有：①直流补偿 ②选频和锁相放大 ③冷却光电倍增管 ④增加电磁屏蔽 ⑤采用磁场把未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉。 4.6 光电倍增管的主要噪声是什么？在什么情况下热噪声可以被忽略？

答：光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载噪声组成。只要阳极负载电阻Ra满足：

k

Ra

4KT

2qIkG2

则电阻的热噪声就远远小于光电倍增管的散粒噪声，这时就可以忽略热噪声。

4.7 怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关系？ 答：光电倍增管阴极电流与入射光谱辐射通量之比称为阴极灵敏度，阳极电流与入射光谱辐射通量之比称为阳极灵敏度。阴极灵敏度表征了光电倍增管阴极材料的一次发射能力，而光电倍增管的阳极灵敏度则反应了倍增极材料的二次电子发射能力。

4.8 为什么光电倍增管不但要屏蔽光，还要屏蔽电与磁？用什么样材料制造光电倍增管的屏蔽罩才能达到既屏蔽光、屏蔽电又能屏蔽磁的目的？屏蔽罩为什么必须与玻璃壳分离至少20mm？ 答：因为光电子在电场或磁场的作用下将会偏离正常的运动轨迹，引起光电倍增管的灵敏度下降，噪声增加。为了减少外部电场和磁场对光电倍增关工作的影响，一般须在管子外部加一个屏蔽罩。应该用高磁导率的材料来制造光电倍增管的屏蔽罩。当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃层之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极之间的电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都会引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽罩与玻璃壳之间距离至少应为20mm。

4.9 什么叫光电倍增管的疲劳与衰老？两者的差别使什么？能在明亮的室内观看光电倍增管的结构么？为什么？ 答：在较强辐射作用下倍增管的灵敏度下降的现象称为疲劳。光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会下降，称为衰老。两者的区别在于，疲劳是暂时的现象，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，而衰老是永久的，是不能恢复的。不能，因为这样做，会使光电倍增管的阳极长时间暴露在强辐射下，引起光电倍增管的疲劳和衰老效应。

4.10 光电倍增管的短波限和长波限由什么因素决定？ 答：主要由光电阴极材料和窗口材料决定。

4.11 某光电倍增管的阳极灵敏度为10A/lm，为什么还要它的阳极输出电流在50~100μA？

答：因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。

4.12 已知某光电倍增关的阳极灵敏度为100A/lm，阴极灵敏度为2μA/lm，要求阳极输出电流在100μA范围内，求允许的最大入射光通量。 解：

G

Sa

5107Sk

IGSkIvIvmax

所以最大入射光通量为10-6lm

IomaxGSk

106lm

4.13 光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用与哪种情况？

答：负高压供电可消除外部信号输出电路与阳极的电位差，因而光电倍增管的输出电流可直接与电流计或电压转换的运算放大器相连，适用与微弱信号检测中。正高压供电采用耐高压的耦合电容来输出信号，这种方法适用于交流或脉冲信号测量系统中。

4.14 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/lm，阳极灵敏度为50A/lm，要求长期使用时阳极允许电流在2μA以内。求： （1）阴极面上允许的最大光通量。

（2）当阳极电阻为75KΩ时，最大的输出电压。

（3）若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数0.2(UDD)的供电电压。

（4）当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度。 答：（1）

0.7

,实计算它

IaSa

IkSk

SkIa21060.5106

Ik21014

Sa50Ik210148

k410lm6

Sk0.510

(2) UamaxIamaxRa210

6

751030.15V

(3) 对于Cs3Sb倍增极材料有经验公式：

G

Sa508

1106

Sk0.510

GN 4.2

0.2(UDD)0.7

UDD0.70.2

V

总电源电压为 Ubb(N1.5)UDD1201.5V (4)

UbbUbbUn121% UUbbUbb

Ubb

0.083% Ubb

4.15 当用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱强度为210lm光谱时，若要求输出信号电压不小于0.3mV，稳定度要求高于0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。 答：根据题目的输出电压幅度要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin

9

0.3103

3.65109(A)IaminUo/Ra3

8210

IkSkv20106210941014(A)Ia3.65109

0.91105NG14Ik410

3.556

UDD0.7Ubb

61(V)

0.2

(N1.5)UDD0(V)



IamSavmGSkvm4109(A)IRi10Iam4109(A)Ri

UDD0

1600M9

IRi410

6

4.16 设入射到PMT光敏面上的最大光通量V810lm，当采用GDB-239型倍增管作为光电探测入射时，已知GDB-239为11级的光电倍增管，阴极为AgOCs阴极，倍增极为AgMg合金材料，阴极灵敏度为10μA/lm.若要求入射通量在810lm时的输出幅度不低于0.15V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压稳定度只能做到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？ 答：(1)计算供电电源的电压

根据题目的输出电压幅度要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=75KΩ,阳极电流应不小于Iamin，因此

6

Iamin

UO0.15

2(A) Ra75

6

入射光通量为810lm时的阴极电流为

IkSkv10106810680106(A)

此时，PMT的增益为

G

Iamin24

2.510

Ik80106

GN　　2.513

对于AgMg合金材料有：0.025UDD

UDD

2.513

101(V) 0.025

总电源电压为：

Ubb(N1.5)UDD1257(V)

（2）计算偏置电路电阻链的阻值

IamGSkvm2.51041010681062(A)IRi10Iam

则有 IRi20(A)

光电技术第六章参

6.1 为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？ 答：对于PN结注入发光的发光二极管，当PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当加正向偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在P区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相对运动，即电子由N区向P区运动，而空穴向N区运动。但由于电子的迁移率N比空穴的迁移率P高20倍左右，电子很快从N区迁移到P区，因而复合发光主要发生在P区。

6.2 为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？ 答：由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要求有非平衡载流子的相对运动，使电子由N区向P区运动，而空穴由P区向N区运动。在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使LED发光。因此，要使LED发光，必须加正向偏压。

6.3 发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？

答：发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长P。在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应P，越好，发光功率集中于半谱线宽度内。 6.4 产生激光的三个必要条件是什么？

答：产生激光的三个必要条件是：（1）必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；（3）有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。

6.5 半导体激光器有什么特点？LD与LED发光机理的根本区别是什么？为什么LD光的相干性要好于LED光？

答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广泛应用于光通信、光学测量、自动控制等方面。LD的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而LED发光的机理是非平衡载流子的复合发光。由于LD的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的时间和空间相干性。

6.6 粒子数反转分布的条件是什么？为什么LD必须有谐振腔？

答：要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部给工作物质提供能量，如光激励或正向PN结注入等，使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数反转。这也是产生激光的三个条件中之一：要有泵浦源。在激光工作物质发生粒子数反转后，尽管增益有所提高，但还不足以使其产生激光。为使发射光束具有激光的特点，还必须使其产生“振荡”以形成谐振。谐振腔的作用正在于此，当腔内的增益远超过损耗时，便可使光波产生谐振。

6.7 为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合器件的主要特性有哪些？

答：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为光电耦

P，它们之间的宽度即为半谱线宽

度，也称半功率宽度，它是一个反映LED单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性

合器件。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。同时，它在信号传输速度、体积、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的优势。因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和处理及计算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：（1）具有电隔离的功能；（2）信号传输具有单向性；（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；（4）响应速度快；（5）实用性强；（6）既具有耦合特性又具有隔离特性。

6.8 举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？ 答：光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材6.5小节所述。在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高传输中的信噪比。

6.9 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1，而由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于1？

答：光电耦合器件中发光二极管的发光电流为IF，接收器件光电二极管产生的光电流可用

ICIF表示，其中是与发光二极管的发光效率、光电二极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，称为光激发效率。一般比较低，所以IF一般要大于IC。由于为ICQ与IF的比值，因此光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比总小于1。而

当接收器件采用光电三极管时，由于光电三极管本身具有电流放大作用，因此输出光电流大于等于发光电流，也即其电流传输比大于等于1。（光电二极管输出光电流在A数量级，而光电三极管的输出光电流在mA数量级。）

6.10 用光电耦合器件构成或门、或非门逻辑电路（要求画出电路图）。 答：用光电耦合器件构成的或门：

用光电耦合器件构成的或非门为：

6.11 光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么不同？

答：首先，光电耦合器件的信号传输是以光信息的形式进行的，这与电容利用电流或电压传输信号不同；其次，光电耦合器件可以将输入端的直流信号转换为光信号进行传输，而电容具有隔直作用，无法传输直流信号；再次，对于交流信号，光电耦合器件将其调制为同频率光信号传输，对不同频率的信源均无过滤作用，而电容传输交流信号时会表现出随频率不同而变化的阻抗（也即过滤），无法传输低频信号；最后，在抗干扰和抑噪方面，光电耦合器件比电容要好。

光电技术第七章参

7.1答:根据信息载入光学信息的方式可以分为6种光电信息变换的基本形式，如下： ①信息载荷于光源的方式； ②信息载荷于透明体的方式； ③信息载荷于反射光的形式； ④信息载荷于遮挡光的形式； ⑤信息载荷于光学量化器的方式； ⑥光通信方式的信息变换。

全辐射测温属于信息载荷于光源的方式的光电信息变换。 由于物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感器获得的电信号为缓变信号或直流信号。为克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，在这种形式中常采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出被测信息。 7.2答:常用光通过透明薄膜时光通量的损耗与入射通量及材料对光吸收的规律求解。即

0el式中为透明薄膜对光的吸收系数，它与透明薄膜介质的浓度C成正比，即C。为与透明薄膜介质性质有关的系数，则0eCl，为常数，光通量的损

采用信息载荷于透明体的变化方耗与透明薄膜介质的浓度C及透明薄膜介质的厚度l有关，

Cl

。这时我们需要采用对数放大器对方程式，变换电路的输出信号电压为Us0e

两边取自然对数后得lnUslnU0Cl，即将变换电路的输出信号电压Us送入对数放大

利用此信号，器后，便可得到与透明薄膜介质的浓度C及透明薄膜介质的厚度l有关的信号。

在透明薄膜介质的浓度C确定的情况下，可以方便的得到透明薄膜介质的厚度l。

7.3答：测量物体表面粗糙度及表面疵病可采用信息载荷于反射光的光电信息变换方式。通过检测漫反射系数可以检测物体表面的粗糙度及表面疵病的性质。在检测产品外观质量时，式中E为被测表面的照度，r1为正品（无变换电路输出的疵病信号电压UsE(r1r2)B，

疵病）表面的反射系数，r2为疵病表面的反射系数，B为光电器件有效视场内疵病所占的面积，为光电变换系数。当E、r1和已知时，输出电压Us为r2和B的函数，因此，可以通过输出电压Us的幅度判断表面疵病程度和面积。

7.4答：例如，将物体长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号，量化后的长度信息L为

Lqn，式中q称为长度的量化单位，我们采用光栅摩尔条纹变换器，量化单位q等于光

栅的截距，是微米量级的常数，就可以确定物体的长度了。这属于是信息载荷于光学量化器的光电信息变换方式，也可称为模－数光电变换方式。

模－数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两种状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为Ff(Q)。显然数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，与光强无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。

而实现稳定的、高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多技术方面的困难，必须采用各种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。 所以在能用模－数光电变换电路时决不采用模拟光电信息电路。

7.5答：模－数光电变换电路中被测的非电量信息载荷于光信息量传送给光电器件之后，光而模－数光电变换中的光电变换电路只要电器件以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。

输出“0”和“1”（高、低电平）两种状态的脉冲即可，都是数字量。

光电变换输出的模拟电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q有关而且与载体光度量有

关。因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系，载体光度量必须稳定。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动、放大电路的噪声、放大倍率的变化等都将影响被测信号的稳定。而光度量的稳定又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。实现稳定的、高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多技术方面的困难，必须采用各种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。

模－数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两种状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为Ff(Q)。显然数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，与光强无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。 所以说模拟光电变换电路受环境的影响要比模－数光电变换电路大。 7.6解：（1）设电阻RB的阻值为a，电阻RC的阻值为b。

由于3DU2的电流灵敏度为SI0.15mA/lx，照度为200 lx时电流I130 mA。

I1I2IB则I2I1IB30 mA－IB，ICIB120IB

又因为I2RLIBRB0.7V，则51K（30 mA－IB）IBRB0.7V可得

IB

1530.7

51000RB

12VICRCU0，RC

12VU0(12VU0)(51000RB)



183684120IB

由于U0取值范围为2V～12V 当U0＝12V时RC＝0，RB＝0 当U0＝2V时

7.7解：（1）氦氖(He-Ne)激光器输出波长为632.8nm的可见光，由Ln2知

L

100632.8nm

310nm

2

（2）位移灵敏度是2316.4nm

若数字电路具有1字的测量误差，此装置的最高精度为632.8nm。 7.8解:条纹间隔为m

0.2mm180d

d11.46mm。

2sin(2)Lnq100.2mm＝2mm。

7.9解：(t)0msint调制后为(t)0m[V(t)]sin{[V(t)]t[V(t)]} 初始500Hz，m5V

振幅调制m[V(t)]＝[1mV(t)]m，

表达式(t)0[1mV(t)]msint＝0＋5[1mV(t)]sin500t 调制度m

󰀀m

m



505＝0.9 50

带宽Bm2Fmax，fL(100.5)kHz，fH(100.5)kHz则Bm＝1KHz。