科学出版社 江文杰编著《光电技术》习题答案 第一章.pdf

1 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 第 1 章 光辐射探测的理论基础章 光辐射探测的理论基础 1-1 若取 X 射线的波长为 10-4m，分别计算 X 射线和太赫兹波光子能量范围。设想用太赫兹波进行人体透视检查，对人体有没有副作用？为什么？解：由公式1.24hc=可知：波长为10-4m的X射线对应的光子能量为1.24104eV。太赫兹波的波长范围为303000m，故太赫兹波光子能量范围为4.1310-44.1310-2eV。太赫兹波光子能量远远小于X射线能量，若用太赫兹波进行人体透视检查，对人体几乎无副作用。1-2*用目视观察发射波长分别为435.8nm和546.1nm的两个发光体，它们的亮度相同，均为3cdm2。如果在这两个发光体前分别加上透射比为10-4的光衰减器，问此时目视观察的亮度是否相同?为什么?（提示：利用图1-5分析）解：加上光衰减器前后，目视观察的亮度不相同，原因如下：未放衰减器时，两发光体目视亮度相同，即()()1V2V435.8nm546.1 nmLL=，或者()()()()1e12e2435.8nm435.8nm638lm/W546.1nm546.1nm638lm/WLVLV=(1.1)放入衰减器后，亮度降低到310-4 cdm20.001 cdm2，此时光谱光视效率由明视效率曲线变为暗视效率曲线。由光电技术教材（以下简称教材）图1-5可知，暗视效率曲线相对于亮视效率曲线有一定程度的偏移，即()()()()1122435.8nm435.8nm546.1nm546.1nmVVVV=由图1-5可看出()()()()1212546.1nm435.8nm546.1nm435.8nmVVVV 因此式(1.1)暗视条件下不再成立，即()()1v2v435.8nm546.1nmLL 1-3 一支氦-氖激光器(波长为632.8nm)发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。求该激光束的光亮度，并与太阳光在海平面的亮度比较。解：光束立体角：22600sin d d/4 10 sr =，其中，为光束平面发散角1mrad；放电毛细管横截面积：727.85 10 mS=；2 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 激光束辐射亮度：112ee1.01 10 W/sr mLS=；查表教材1-2得：(625nm)0.32(635nm)0.22VV=；0.30.22(632.8nm)0.327.80.24635625V=；所以，激光束光亮度为：112Ve(632.8nm)638lm/W5.32 10 cd/mLLV=而阳光在海平面的光亮度为921121.6 10 cd/m5.32 10 cd/m。1-4 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上的照度为30lx，求出该白炽灯的光通量。解：该白炽灯的光通量为：2VV4 1.530lm845lmS E=1-5*试证明：N型半导体受强光照射后突然停光，材料中的非平衡载流子随时间的变化关系为()()()1001p tpr pt=+式中，()0p为光照刚停时(t=0)的光生载流子浓度；r 为电子-空穴复合概率。由此得到强注入条件下，载流子寿命为多少？它与弱注入条件时有何区别？解：由于：()()()()0000ddddp tp tr nn tpp trn ptt=+受强光照射时，得到强注入，即()()00n tp tnp=?，有()()()022ddddp tp tr p trptt=解方程得：()()()1001p tpr pt=+可见，在强注入条件下，载流子寿命不再为常数，而是随着光生载流子浓度的变化而变化。1-6对于N型半导体来说，以下说法正确的是（）：A费米能级靠近于价带顶；B 空穴为多子；C 电子为少子；D费米能级靠近导带底。3 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 答：D。1-7 为什么量子效率一般小于1，而光电增益可以大于甚至远大于1？二者有何区别？答：探测器对入射光子有反射、透射、散射等作用，使得并非全部的入射光子都能产生光电子，因此即使入射光子能量ghE，实际的量子效率一般小于1；某些探测器内部含有增益结构，例如雪崩光电二极管和光电倍增管等，外电路中单位时间输出的电子数大于甚至远大于所产生的光子数，光电增益可以大于甚至远大于1。量子效率描述的是光电转换的初始过程，光电增益描述的是光电转换后光电子的输出过程。1-8 PN结加正向偏压，不利于结区光生电子-空穴对的分离，光电效应不明显，为什么？解：（最好从物理概念角度解释）由于光伏探测器结区的内建电场的作用，光照时产生的光生电子-空穴对分离，在PN结的两则出现光生电动势。PN结加正向偏压时，光照时仍然可有光电效应，但内建电场被削弱，甚至为零，光生电子-空穴对分离变弱，从而光电效应表现不明显。1-9 依据光照产生光电子是否逸出材料表面，光电效应可以分为内光电效应和外光电效应。所学过的光电效应中，哪些属于内光电效应？哪些属于外光电效应？为什么外光电效应对应的截止波长比较短？答：光电导效应、光伏效应属于内光电效应；光电发射效应属于外光电效应。对 半 导 体，内 光 电 效 应 的 截 至 波 长 通 常 为cg/hc E=，外 光 电 效 应()cgA/hcEE=+，所以外光电效应对应的截止波长比较短。1-10 何谓“白噪声”?何谓“1f噪声”?采用什么措施可降低电阻的热噪声和1f噪声?答：白噪声是一种功率谱大小与频率无关的噪声；1f噪声（电流噪声）是一种功率谱与频率近似成反比的噪声；通过降低温度和压缩通频带可以减低电阻的热噪声；使用较高的调制频率或者减小流过器件的电流可大大减小电流噪声的影响。1-11 探测器的 D*=1011cmHz1/2W-1，探测器光敏面的直径为0.5cm，用于f=5103Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少?解：最小功率为：10dNEP3.13 10WAfD=1-12 某一干涉测振仪的最高频率为20MHz，选用探测器的时间常数应小于多少?解：最高频率12f=HC 要使测振仪能在通频带内工作应有：4 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 20MHzfHC 从而解出：7.96ns 即探测器的时间常数应小于7.96ns 1-13 某一金属光电发射体有2.5eV的逸出功，并且导带底在真空能级下7.5eV；试计算：(a)产生光电效应的长波限。(b)求出费米能级相对于导带底的能级。解：(a)长波限为：1.241.24m0.496m2.5W=(b)所求能级为：(7.5-2.5)eV=5eV 1-14 图1-31所示是一种测试探测器响应线性度的实验装置，它可以用来测得探测器灵敏度与不同辐射通量之间的关系曲线。设光源发光强度为 I0，探测器光敏面为 Ad、输出电流为 I，试说明其响应线性度测量原理；并写出探测器灵敏度的表达式。图1-31 题1-13图 解：设标准光源发光强度为 I0，探测器灵敏度为 S、光敏面为 Ad、输出电流为 I，则依据距离平方反比定律，探测器上得到的光照度为 02IEl=，光通量为0dd0d22IKEAA,KI All=常数 灵敏度为IS=,或者 2IIlSK=线性度为100SSSS=为灵敏度平均值 通过改变探测器与光源之间的距离，可以得到若干组探测器的输出电流和灵敏度数据。1组 2组 3组 4组 5组 6组 距 离（mm）光电流（A）灵敏度 灵敏度平均值 线性度（最大）第一章补充习题 1-15*设杂质半导体的空穴和自由电子浓度分别为p和n，试证明pn=ni2，ni为本征载流子浓度；怎样理解杂质半导体空穴和自由电子浓度的乘积为什么不会大于本征半导体载流子浓度的乘积？5 College Of Optoelectric Science and Engineering 光电科学与工程学院光电科学与工程学院 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 科学出版社光电技术第 1 版习题与思考题及参考解答 解：由iinpn p=，对于本征半导体，iinp=，因此2inpn=；n、p的乘积与费米能级无关，在一定温度下，该乘积仅由禁带的宽度决定。而杂质半导体掺杂后，并未改变禁带宽度，只改变了费米能级。因此，杂质半导体空穴和自由电子浓度的乘积不大于本征半导体载流子浓度的乘积，且2inpn=。1-16 怎样理解本征吸收时载流子的寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比？答：本征吸收受光照影响最大的是少子，因而通常只考虑非平衡状态下少子的寿命。显然，热平衡时多子浓度越高，多子与少子的复合越迅速，寿命越短。因此本征吸收时载流子的寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比。1-17 光伏效应中，PN结对光的吸收属于本征吸收还是非本征吸收？答：PN结对光的吸收属于本征吸收。因为入射光子能量大于禁带宽度，PN结吸收光时产生了电子-空穴对。