光电复习题(2)

为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？

答：1. p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。

因为p-n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。

发光二极管的优点 (1) 属于低电压、小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度，一般为3000cd/m2以上

(2)发光响应速度极快，时间常数约为l0-6~10-9s (3)性能稳定，寿命长

(4)驱动简单，易于和集成电路匹配

(5)单色性好，发光脉冲的半宽度为几十纳米 (6)重量轻，体积小，耐冲击

光电探测器的合理选择

(1)根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。

(2)探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致。即探测器和光源的光谱匹配。

(3)对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少—需要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信噪比。

(4)当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围。 (5)当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。

除了上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性，测量精度，测量方式等因素。

气体放电原理：

制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪，或金属蒸汽（汞、钠、铊、镝），这些元素的原子在电场作用下电离出电子和离子。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激电子回到低能级时会发射出相应的辐射，如此不断进行，实现气体持续放电、发光。

简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.

光生伏特效应

上图为PN结光伏器件的结构图，通常在基片(假定为N型)的表面形成一层薄薄的P型层，P型层上做一小的电极，N型底面为另一电极。

光投向P区时，在近表面层内激发出电子-空穴对.其中电子将扩散到PN结区并被结电场拉到N区；同时空穴也将依赖扩散及结电场的作用进入P区。为了使P型层内产生的电子能全部被拉到N区，P层的厚度应小于电子的扩散长度。这样一来，光子也可能穿透P区到达N区，在那里激发出电子-空穴对;这些光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边产生势垒。这就是光生伏特效应。

硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：

①就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为1016～1019原子数／厘米3，而硅光电二极管掺杂浓度约为1012～1013原子数／厘米3；

②光电池的电阻率低，约为0.1～0.01欧姆／厘米，而硅光电二极管则为1000欧姆／厘米，

③光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管在反向偏置下工作； ④一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。

PIN光电二极管因有较厚的I层，因此具有以下四点优点: a).使PN结的结间距离拉大，结电容变小。

目前PIN光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响应时间 tr＝1～3ns，最高达0.1ns。

b).由于内建电场基本上全集中于I层中，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，量子效率提高了。 c）增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0.4～1.1μm。 d）可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。

光敏电阻的特点

(1)产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管那一部份受光，受光部份的电导率就增大；

(2)光敏电阻没有极性，工作时可任意外加电压。

(3)光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，时间常数较大，频率响应较差；

(4)有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较高，也可以通过较大的电流。

光敏电阻在使用时的注意事项：

1） 当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流

与入射光通量成线性关系；

2） 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱

光视效率曲线符合；

3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方

向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。 4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负。

5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz。

6） 设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。 7） 进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。

.光电倍增管的工作原理 如下图所示：

①光子透过入射窗口入射在光电阴极K上； ②光电阴极受光照激发，表面发射光电子；

③光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大N次。

④经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载RL上产生信号电压V0。

光电三极管工作原理分析

当光照在集电结的基极区时产生电子—空穴对，由于集电结反向偏置，而使内电场增加。这样当电子扩散到结区时，很容易漂移到集电极中去。在基极留下的空穴，促使基极对发射极的电位升高，更有利于发射极中的电子大量经过基极而流向集电极，从而形成光电流。这一原理与晶体三极管的工作方式一致。随着光照增加，光电流也随之增加。这里集电极实际上起到了两个作用，可用图加以说明。光电三极管工作原理分析

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摄像管的作用及分类

摄像管是把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。 按光电变换形式摄像管基本上分为两类：一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称光电发射型摄像管，也简称摄像管，如下图所示。这一类摄像管有：二次电子导电摄像管和硅靶摄像管等。光电发射型摄像管属于微光摄像，其增益和灵敏度很高，可工作在亮度较低的场合。

另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称为光电导型摄像管，也称为视像管，如下图所示。视像管按光导靶的结构又可分为 光电导（注入）型和PN结（阻挡）型两种。光电导型采用光电导材料，如硫化锑（Sb2S3）管；PN结型管采用结型材料，有氧化铅（PbO）管、硅靶管和异质结靶管等等。

与真空摄像器件相比固体成像器件有以下优点：

(1) 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长； (2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰； (3) SSPD的光谱响应范围从0.25～1.1μm；对近红外线也敏感；CCD也可做成红外敏感型；

(4) 象元尺寸精度优于1μm,分辨率高； (5) 可进行非接触位移测量；

(6）基本上不保留残象（真空摄像管有15%～20%的残象）。 (7) 视频信号与微机接口容易。

固定阈值法二值化处理电路

图9-3为典型的固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较器的“－”输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较器的特性可知，当输入光电信号的幅值高于固定电位Uth时，比较器的输出为高电平，即为1；当光电信号的幅值低于阈值电位Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电平，即为0。

受光源的不稳定影响较大，需要对光源进行稳定处理，或应用在控制精度要求较低的场合。

初始化将程序所用的内存地址空间及数据格式等内容确定，软件中用计算机允许的用户地址编写同步控制器的有关指令。如用2F1H地址设置A/D数据采集系统处于初始状态，2F3H写系统所要采集的数据量，2F5H判断N个数据的转换工

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