《光电子技术》狄红卫版
犯罪嫌疑人x的献身-
光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、
处
理和接收，涵
盖了新材料
（新型发光感光材料，
非线性光学材料
，衬底材料、传输材料和人工材料的微结
构等）
、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子
技术
科学是光电信息产业的支柱与基础，
涉及光
电子学
、光学、电子学、
计算机技术等前沿学科
理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。
光子学
也可称光电子学，
它是研究以光子作为
信息载体
和能量载体的科学，
主要研究
光
子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓
光子技术
，主要是研究光子的产生、传输、
控制
和探测的
科学技术
。现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航
天、生命科学和环
境科学技术中的广泛应用，
必将促进光子产业
的迅猛发展。
光电子学是指
光波
波段，
即
红外
线
、<
/p>
可见光、
紫外线和软
X
< br>射线
（
频率范围
3
×
1011Hz~3
×
10
16Hz
或波长范围
1mm~10nm
）
波段的电子学。光电子技术在经过
80
年代与其相关技术相互交叉渗透之后，
90
年代，其技
术和应用取得了飞速发展，
在社会信息化中起着越来越重要的作用。<
/p>
光电子技术研究热点是
在光通信领域，
这
对全球的
信息高速公路
的建设以及国家
经济
和科技持续发展起着举足轻重
的推动作用。国内外正掀起一
股
光子学
和光子产业的热潮。
1.1
可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？
波长：
380~780nm
400~760nm
频率：
385T~790THz
400T~750THz
能量：
1.6~3.2eV
1.2
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？
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）
< br>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
+d
λ
范围内发
射的辐射通量
d
Φ
< br>e
，除以该波长
λ
的光子能量<
/p>
h
ν
，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。
1.3
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
的照度为
30lx
，求出该灯的光通量。
Φ
=L*4
π
R^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx
1.4
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为
1mm
。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在
< br>10m
远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为
0.
85
，求该屏上的
光亮度。
v
(
)
K
m
< br>V
(
)
e
(
)
683
0
.265
2
10
3
0.362
lm
d
< br>v
(
)
v
(
)
d
S
2
Rh
2
(
1
cos
)
R
2
R
2
v
(
)
0.362
I
v
1.15
10
5
cd
2
(
1
cos
)
2
(
< br>1
cos
0.001
)
I
v
L
v
M
< br>v
dI
v
I
v
I
v
1.
46
10
11
cd
/
m
2
2
dS
cos
S
cos
r
cos
0
d
v
(
)
0.3
62
4.6
10
5
lm
/
m
2
2
dS
0.0005
l
10
m
r
0.0005
m
'
v
'
< br>v
(
P
6)
d
'
v
r
2
M
0.
85
E
0.85
0.85
< br>L
v
2
'
dS
cos
l
r
2
0.85
< br>
L
v
2
'
d
2
'
v
dM
v
'<
/p>
l
L
v
155
cd
/
m
2
'
d
dS
cos
d
2
1.6
从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长
随温度
T
的
升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出
< br>m
T
常数
式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为
2.
-
。
普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于
0
，即可求
的。教材
P8
< br>2.1
什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？
光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光
波波形的幅度、频率或相位的过程。
光辐射的调制方法有内调制和外调制。
内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但
存在波长
(
频率
)
的抖动。
LD
、
LED
外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压
较高、难以与光源集成、
偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、
电光调制、声光调制、磁光
调制
<
/p>
2.2
说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电
光调制的装置图，说明其中
各个器件的作用。
若在
KDP
晶体上加调制电压
U=Um
，
U
在线性区内，
请写出输出光通
量的表达式。
Pockels
< br>效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。
光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。
2.3
说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。
超声功率
Ps
的大小决定于什么？在石英晶
体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？< p>
当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性
应变作时间上和空间上的周期性的变化，
并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光
束通过有超声波的介质后就会产生衍射现
象，这就是声光效应。
声光介质在超声波的作用下，
就变成了一个等效的相位光栅，<
/p>
当光通过有超声波作用的
介质时，相位就要受到调制，其结果如同
它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光
束通过这个光栅时就要产生衍射，
这就是声光效应。
布拉格衍射是在超声波频率较高，
声光
作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。
< br>XXX2.4
说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。
磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。
法拉第效应：
光波通过磁光介质、
平行于磁场方向传播
时，
线偏振光的偏振面发生旋转
的现象。
电路磁场方向在
YIG
棒轴向，控
制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制
光的振动面的旋转角，使通过的光振
幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。
3.1
热电探测器与光电探测器相比
较，在原理上有何区别？
光电探测
器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用，
而
热电探测器是在光辐射作用下，
首先使接收物质升温，
由于温度的变化而造成接受物质的电
学特性变化。光电探测器响应较快，
噪声小；
而热电探测器的光谱响应与波长无关，可以在
室温下工作。
3.2
光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？
物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应。
光电效应又分为外光电效应
（如光电发射效应）
和内光电效应
（如光电导效应和光伏效
应）
。
当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
率的增
大，这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器
当半导体
PN
结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子
-
空穴对。在自建场的作
用下，电子流向
N
区，空穴流向
P
区，
从而在势垒两边形成电荷堆积，使
P
区、
N
区两端
产生电位差。
P
端为正，
N
端为负。这种效应称为光伏效应。光电
池、光电二极管、双光电
二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二
极管
某些金属或半导体受到光照时，
物质中的电子由于吸收了光子的能量，
致使电子逸出物
质表面，
这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。光电倍增管，真空光电管、充气光
电管。
3.3
光
电器件的光电特性（光照特性）有哪两种情况？每种特性的器件各自的用途是什么？
当光电器件上的电压一定时，
光电流
与入射于光电器件上的光通量的关系
I=F(
Ф
)
称<
/p>
为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系
I=F(L)
称为光照特性。
3.4
什
么是光电器件的光谱特性？了解它有何重要性？
光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，
即产生的光电流不同
。
光电流或
输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性。
光谱特性决定于光电器件的材料。
应尽量使所
选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。
由光电器件的光谱特性可决定光电器
件
的灵敏度（响应率）——光谱灵敏度和积分灵敏度。
3.5
为什么结型光电器件在正向偏
置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须工作在哪种
偏置状态
?
因为
p-n
< br>结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有
光照
时，光电效应不明显。
p-n
结必须在反向偏压的状态下，有明
显的光电效应产生，这是
因为
p-n
结
在反偏电压下产生的电流要饱和，
所以光照增加时，
得到的光生
电流就会明显增
加。
3.6
若光电
PN
结在照度
L1
下开路电压为
U
，求照度
L2
下的开路电压
U
。
3.7
负
电子亲和势光电阴极的能带结构如何？它有哪些特点？
表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。
特点：
1.
量子效率高
<
/p>
2.
光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀
3
热电子发射小
4.
光电
发射小，光电子能量集中
3.8
何谓“白噪声”？何谓“
1
噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？
< br>
f
度
3.9
探测器的
D*=1011cm
·
Hz1/2
·W
-1,
探测器光敏器的直径为
0.5cm
，用于
f=5x103Hz
的光
电仪器中，它能探测的最小辐射功
率为多少？
功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声。功率谱
与
f
成反比，称
1/f
噪声。
措施：
1.
尽量选择通带宽度小的
2.
尽量
选择电阻值小的电阻
3.
降低电阻周围环境的温
3.10
应怎样理解热释
电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？
热电晶体的自发极化矢量随温度变化，
从而使入射光可引起电容器电容改
变的现象成为
热释电效应。
由于热释
电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。
3.13
一块半导体样品，有光照时
电阻为
50
欧姆，无光照时电阻为
50
00
欧姆，求该样品的
光电导。
G
光
=G<
/p>
亮
-G
暗
=1/
50-1/5000=0.0198
（
s
）该样品的光电导即为所求。
3.14
3.16
试问图
3.25
和图
3.26
分别属于哪一种类型的偏置电路？为什么？当光照变化
dL
时，
引起输出电压
U0
变化
，分别写出这两种电路
dU0
的表达式。
3.17
叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。为什么光电池的输
出与
所接的负载有关系？
（
1
）工作原理
光电池是
一个简单得
PN
结。当光线照射
PN<
/p>
结时，
PN
结将吸收入射光子。如果光子
能量超
过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在
PN
结附近会产生电子和空穴。在
内电场的作用下，空穴移向<
/p>
P
区，电子移向
N
区，使
N
区聚集大量的电子而带上负电，在
< br>P
区聚集大量的空穴而带上正电。
于是在
P
区和
N
区之间产生了电势，
成为光生电动势。
如果
用导线或电阻把
N
区和
P
区连
接起来，
回路中就会有光电流
I
流过，
电流方向是由
P
区流向
N
区。
（
6
< br>分）
（
2
）光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系，在照度光电池的短路电流与照
度
成线性关系（
4
分）
（
3
）当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必
然使外加电场增大，由于外电场
的方向是与内电场方向相反，故要削弱内电场的强度，从
而使光生的电子和空穴不能移过
PN
结，使对外输出的光电流减
少。
（
5
分）
3.20 2CR
和
2DR
，
2CU
和
2DU
在结构上有何主要区别？
2DU
光电二极管增
设环极的目的是
什么？画出正确接法的线路图，使用时环极不接是否可用？为什么？
硅光电池按基底材料不同分为
2CR
和
2DR
。<
/p>
2CR
为
N
型单
晶硅，
2DR
为
P
型单晶硅。
按衬底材料的不同，
硅光电二极管分为
2CU
和
2DU
两种系
列。
2DU
光电二极管增设环极的
目的
是为了减少暗电流和噪声。
3.21
说明
PIN
管、
雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。
PIN
管的频率特性为什么比普通
光电二极管好？
工作原理：
PIN
< br>管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区展开，耗尽层宽度基本上是
I
区的宽度，光照到
I
层，激发光生电子空穴时，
在内建电场和反向电场作用下，空穴向
P
区移动，电子向
N
区移动，形成光生电流，通过负载，在外电路形成电流。特点：频带
宽，
线性输出范围宽。优点：
1
，工作
电压比较低，一般为
5V
。
2
，探测灵敏度比较高；
3
，内量
子效率较高；
4
，响应速度快；
5
，可靠性高；
6
，
PIN
管能低噪声工作。
工作原理：
当光电二极管的
PN
结上加相当大的反向偏压时，
在耗尽层内将产生一个很
高的电场，
它足以使在该强电场区产生和漂移的光生载流子获得充分的动能，<
/p>
电子空穴与晶
格原子碰撞，
将产生新的电
子空穴对。
新的电子空穴对在强电场作用下，
分别向相反的方向
运动，在运动过程中，又可能与原子碰撞，再一次产生新的电子空穴对。如此反复，形成
雪
崩式的载流子倍增。特性：灵敏度高，响应速度快；
PIN
光电二极管因由较厚的
i
层，
因此
p-n<
/p>
结的内电场就基本上全集中于
i
层中，<
/p>
使
p-n
结的结间距离拉大，
结电容变小，
由于工作在反偏，
随着反偏电压的增
大，
结电容变的更小，
从而提高了
p-
n
光电二极管的频率响应。
由于
PIN
管耗尽层变宽，这就相当于增大了结电容之间的距离，使结电
容变小，而且
耗尽层的厚度随反向电压的增加而加宽，因而结电容随着外加反向偏压的增
大而变得更小。
同时，由于
I
层的电阻
率很高，故能承受很高的电压，
I
层电场很强，对少数载流子漂
移运
动起加速作用，
虽然渡越距离增大一些，
< br>但少数载流子的渡越时间相对还是短了。
总之，由
于结电
容变小，载流子渡越耗尽层的时间短，因此
PIN
管的特性好。
3.23
光电二极管
2CU2E
，
其光电灵敏度
S=0.5
μ
A/
μ
W
，
拐点电压
< br>U =10V
，
输入辐射功率
=
（
5+3sin
t
）
μ
W
，偏置电压
Ub=40V
，信号由放大器接收，求取得最大功率时的负载电阻
Rb
和放大器的输入电阻
R
的值，以及输入给放大器的电流、电压和功率值。
3.2
4
图
3.97
中，
用
2CU
型光电二极管接收辐射通量变化为
=
（
20+50sinwt
）
μ
W
的光信
号，
其工作偏压
Ub=30V
，拐点电
压
Um=10V
，且
Rb=RL
。
2CU
的参数是：光电灵敏度
S=0.6
μ
A/
μ
W
，结电容
Cj=3pF
，分布电容
C0=3pF
。试计算：
1.
3.2
5
用光电三极管
3DU12
探测交变信
号。结电容
Cj=8pF
，放大器的输入电容
< br>Ci=5pF
，输
入电阻
r=1
0k
计算变换电路中频时的输出电压
U0
上限频率
f
3.26
设计光控继电器开关电路。
已知条件：光电晶体管
3DU15
的
S
=1
μ
A/lx
，继电器
K
的
吸合电流为
10mA<
/p>
，线圈电阻
1.5k
Ω
< br>。要求光照大于
200lx
时继电器
J
吸合。
3.27
试述
PSD
的工作原理，与象限探测器相比，
PSD
有什么优点？
PSD<
/p>
是利用离子注入技术制成的一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，
分为一维和二维两种。当入射光是非均匀的或是一个光斑时，其输出与光的能量中心有关。
与象限探测器相比，
PSD
的优点有：对光斑的
形状无严格要求；光敏面上无象限分隔线，
对光斑位置可进行连续测量，位置分辨率高，
可同时检测位置和光强。