光電檢測-習(xí)題解答(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 件有反向偏置電路，零偏置電路，自偏置電路。 (2)特點：自偏置電路的特點是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當負載為最佳負載電阻時具有最大的輸出功率，但是自偏置電路的輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關(guān)系很差，因此在測量電路中好少采用自偏置電路。反向偏置電路：光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運動，使光生伏特器件的線性范圍加寬，因此反向偏置電路被廣泛應(yīng)用到大范圍的線性光電檢測與光電變換中。零偏置電路：光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流Isc與入射輻射量（如照度）或線性關(guān)系變化，因此零伏偏置電路是理想的電流放大電路。1試比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線，說明它們的差異。答：比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線可知：當沒有光輻射時，二者的伏安特性曲線是一樣的；當有光輻射時，則硅光電二極管的全電流為負值，特性曲線向下平移，且向下平移的程度隨輻照度的不同而變化。但是硅整流二極管的伏安特性曲線不受光照的影響。此外，正常工作狀態(tài)下，否則不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。該值通常為負，即處于反偏狀態(tài)；硅整流二極管兩端所加偏壓須為正，且要大于開啟電壓Uth值。1寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項的物理意義。11影響光生伏特器件頻率響應(yīng)特性的主要因素有哪些? 為什么PN結(jié)型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107Hz？怎樣提高硅光電二極管的頻率響應(yīng)? (1)影響光生伏特器件頻率響應(yīng)的主要因素有三點：1）在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時間τdr，即漂移時間；2）在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需的時間τp，即擴散時間；3）由PN結(jié)電容Cj、管芯電阻Ri及負載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時間τRC。(2) 對于PN結(jié)型硅光電二極管，光生載流子的擴散時間τp是限制硅光電二極管頻率響應(yīng)的主要因素。由于光生載流子的擴散運動很慢，因此擴散時間τp很長，約為100ns，則其最高工作頻率小于等于107Hz。(3)1）減小PN結(jié)面積；2）增加勢壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結(jié)深；3）適當增加工作電壓；4）盡量減少結(jié)構(gòu)造成的分布電容；5）增加PN結(jié)深，減小串聯(lián)電阻；6）設(shè)計選用最佳負載阻值。為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎？ 答：對于PN結(jié)注入發(fā)光的發(fā)光二極管，當PN結(jié)處于平衡位置時，存在一定的勢壘區(qū)。當加正向偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在P區(qū)。這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子與空穴做相對運動，即電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向N區(qū)運動。但由于電子的遷移率?N比空穴的遷移率?P高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。2為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？ 答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求有非平衡載流子的相對運動，使電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴由P區(qū)向N區(qū)運動。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動的結(jié)果是電子與空穴的復(fù)合幾率小，而且表現(xiàn)在數(shù)量上也是很微弱的，不足以使LED發(fā)光。因此，要使LED發(fā)光，必須加正向偏壓。2發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長即為峰值波長。在LED譜線的峰值兩側(cè)處，存在兩個光強等于峰值一半的點，分別對應(yīng)，它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱半功率寬度，它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。2產(chǎn)生激光的三個必要條件是什么？答：產(chǎn)生激光的三個必要條件是：（1）必須將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，為此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以口服損耗；（3）有一個諧振腔為出射光子提供正反饋及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。2半導(dǎo)體激光器有什么特點？LD與LED發(fā)光機理的根本區(qū)別是什么？為什么LD光的相干性要好于LED光？答：半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦。其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可以與之單片集成，并且還可用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，它廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)測量、自動控制等方面。LD的發(fā)光機理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而LED發(fā)光的機理是非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光。由于LD的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的時間和空間相干性。2為什么需要將發(fā)光二極管與光電二極管封裝在一起構(gòu)成光電耦合器件？光電耦合器件的主要特性有哪些？答：將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成的具有信號傳輸功能的器件，即為光電耦合器件。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。同時，它在信號傳輸速度、體積、抗干擾性等方面都具有傳統(tǒng)器件所無法比擬的優(yōu)勢。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動檢測、自動控制、電信號的傳輸和處理及計算機系統(tǒng)等方面。光電耦合器件的主要特性有：（1）具有電隔離的功能；（2）信號傳輸具有單向性；（3）具有抗電磁干擾和噪聲的能力；（4）響應(yīng)速度快；（5）實用性強；（6）既具有耦合特性又具有隔離特性。2舉例說明光電耦合器件可以用在哪些方面？為什么計算機系統(tǒng)常采用光電耦合器件？ 答：光電耦合器件目前在自動控制、遙控遙測、航空技術(shù)、電子計算機和其它光電、電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。在計算機主體運算部分與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大提高傳輸中的信噪比。2為什么由發(fā)光二極管與光電二極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比小于1，而由發(fā)光二極管與光電三極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比大于等于1？22簡述半導(dǎo)體激光器的工作原理。它有哪些特點？原理：半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。特點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。33熱輻射檢測器通