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1、1.1.3 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光光电电系系统统一一般般都都是是围围绕绕光光电电探探测测器器的的性性能能进进行行设设计计的的，而探测器的性能由而探测器的性能由特定工作条件特定工作条件下的一些参数来表征。下的一些参数来表征。实际参量实际参量参考参量参考参量测量条件测量条件1第一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。一、光电探测器的工作条件一、光电探测器的工作条件光光电电探探测测器器的的性性能能参参数数与与其其工工作作条条件件密密切切相相关关，在在给给出出性性能能参参数数时时，要要注注明明有有关关的的工工作作条条件件。这这一一点点很很重重要要，因为只有这样，光电探测器才能因为只有
2、这样，光电探测器才能互换使用互换使用。主要工作条件有：主要工作条件有：1辐射源的辐射源的光谱分布光谱分布 2电路的电路的通频带和带宽通频带和带宽3工作温度工作温度4光敏面尺寸光敏面尺寸5偏置情况偏置情况2第二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1.辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内的辐射有辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为信号输出，称为光谱响应光谱响应，它决定了探测器探测，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测器的性能时，特定目标的有效程度
3、。在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。布。如果辐射源是单色辐射，则需给出如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长辐射波长。假如辐射源是黑体，那么要指明假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度黑体的温度。当辐射经过调制时，则要说明当辐射经过调制时，则要说明调制频率调制频率。3第三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论后面将详细讨论)。噪噪声声电电压压或或电电流流均均正正比比于于带带宽宽的的平平方方根根，有有些些噪噪声声
4、还还是频率的函数。是频率的函数。在描述探测器的性能时，必须明确在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽通频带和带宽。4第四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。3.工作温度工作温度许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，所以必须所以必须明确工作温度明确工作温度。通用的工作温度通用的工作温度是：是：室温室温(295K)、干冰温度干冰温度(195K)、液氮温度液氮温度(77K)、液氢温度液氢温度(20.4K)液氦温度液氦温度(4.2K)5第五页，编辑于星期六：十六
5、点 三十四分。4.光敏面尺寸光敏面尺寸探测器的探测器的信号信号和和噪声噪声都和光敏面积有关都和光敏面积有关，大部分探测器，大部分探测器的信噪比与的信噪比与光敏面积的平方根成比例光敏面积的平方根成比例。参考面积一般为参考面积一般为1cm2。6第六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。5.偏置情况偏置情况大多数探测器需要某种形式的偏置。大多数探测器需要某种形式的偏置。例例如如：光光电电导导探探测测器器和和电电阻阻测测辐辐射射热热器器需需要要直直流流偏偏置电源置电源信信号号和和噪噪声声往往往往与与偏偏置置情情况况有有关关，因因此此要要说说明明偏偏置置的情况的情况。此外，对于此外，对于受背景光子噪声限制
6、受背景光子噪声限制的探测器，应注明的探测器，应注明光学视场光学视场和和背景温度背景温度。对于对于非密封型的薄膜探测器非密封型的薄膜探测器，要，要标明湿度标明湿度。7第七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。二、有关响应方面的性能参数二、有关响应方面的性能参数1.响应率响应率(或称响应度或称响应度)Rv或或RI2.单色灵敏度单色灵敏度3.积分灵敏度积分灵敏度4.响应时间响应时间 5.频率响应频率响应6.光谱响应光谱响应8第八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1.响应率响应率(或称响应度或称响应度)Rv或或RI1 1）响响应应率率是是描描述述探探测测器器灵灵敏敏度度的的参参量量。它它表表征征探探测
7、测器器输输出出信信号号与与输输入入辐辐射射之之间间关关系系的的参参数数。又又称称为为光光电电探测器的探测器的灵敏度灵敏度。2 2）定定义义：光光电电探探测测器器的的输输出出均均方方根根电电压压VsVs或或电电流流IsIs与入射到光电探测器上的平均光功率之比。与入射到光电探测器上的平均光功率之比。R Rv vV Vs ss s R RI Iis ss s 分别称为光电探测器的分别称为光电探测器的电压响应率电压响应率和和电流响应率电流响应率。3 3）测量响应率的辐射源一般是）测量响应率的辐射源一般是500K500K的黑的黑体体。4 4）单色灵敏度单色灵敏度和和积分灵敏度积分灵敏度。9第九页，编辑于
8、星期六：十六点 三十四分。2单色灵敏度单色灵敏度1 1）如果使用波长为）如果使用波长为的单色辐射源，则称为单色响应率或的单色辐射源，则称为单色响应率或单色灵敏单色灵敏度度，又叫，又叫光谱响应度光谱响应度，用，用R R表示，表示，2 2）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量上单色辐射通量(光通量光通量)之比。之比。(V/W)(V/W)(A/W)(A/W)式式中中，()()为为入入射射的的单单色色辐辐射射通通量量或或光光通通量量。如如果果()()为为光光通量，则通量，则R Rvv的单位为的单位为V Vlmlm。10第十
9、页，编辑于星期六：十六点 三十四分。3.积分灵敏度积分灵敏度积积分分灵灵敏敏度度表表示示探探测测器器对对连连续续辐辐射射通通量量的的反反应应程程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：光光电电探探测测器器输输出出的的电电流流或或电电压压与与入入射射总总光光通通量量之之比称为积分灵敏度。比称为积分灵敏度。11第十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。由由于于光光电电探探测测器器输输出出的的光光电电流流是是由由不不同同波波长长的的光光辐辐射射引起的，所以输出光电流为：引起的，所以输出光电流为：可得积分灵敏度为：可得积分灵敏度为：式中，式中，、分别为光
10、电探测器的分别为光电探测器的长波限长波限和和短波限短波限。由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时据时应指明采用的辐射源及其色温应指明采用的辐射源及其色温。12第十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。4.响应时间响应时间 1 1）响应时间是描述光电探测器对入射）响应时间是描述光电探测器对入射辐射辐射响应快慢响应快慢的一个参数。的一个参数。2 2）当入射辐射到光电探测器后或入）当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的射辐射遮断后，光电探测
11、器的输出输出上升到稳定值上升到稳定值或或下降到照射前的值下降到照射前的值所所需时间称为响应时间。常用需时间称为响应时间。常用时间常数时间常数 的大小来表示。的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方被，则光电探测器的输出由于方被，则光电探测器的输出由于器件的器件的惰性惰性而有延迟，把从而有延迟，把从1010上升到上升到9090峰峰值处所需的时间称为探测器的值处所需的时间称为探测器的上升时上升时间间，而把从，而把从9090下降到下降到1010处所需处所需的时间称为的时间称为下降时间下降时
12、间。13第十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。5.频率响应频率响应入入射射光光辐辐射射的的频频率率对对光光电电探探测测器器的的响响应应将将会会有有较较大大的的影影响响。光光电电探探测测器器的的响响应应随随入入射射辐辐射射的的调调制制频频率率而而变变化化的的特特性性称称为为频频率率响响应应。利利用用时时间间常常数数可可得得到到光光电电探探测测器器响响应应度度与与入入射射辐辐射射调调制频率的关系，其表达式为：制频率的关系，其表达式为：l 为频率是为频率是 时的响应度；时的响应度；lR0为频率是零时的响应度；为频率是零时的响应度；l为时间常数。为时间常数。l当当 时，可得放大器时，可得放大器的的
13、上限截止频率上限截止频率 l显然，时间常数决定了光电探测显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。器频率响应的带宽。14第十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。6.光谱响应光谱响应1）定义：）定义：不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率响应率和和比探测率比探测率等特性参量等特性参量随随光辐射波长光辐射波长变化变化的特性。的特性。2）单色灵敏度和单色探测率，）单色灵敏度和单色探测率，峰值波长峰值波长3）光子探测器光子探测器的光谱响应的光谱响应与波长有关，与波长有关，截止波长截止波长4）热探测器热探测器的光谱响应的光谱响应与与波长无
14、关波长无关，与辐射功率有关。，与辐射功率有关。15第十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。三、有关噪声方面的参数三、有关噪声方面的参数从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。但当的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率很低入射功率很低时，时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所它所固有的固有的“噪声噪声”引起的。引起的。如果对这些随时间而起伏的如果对这
15、些随时间而起伏的电压电压(流流)按时间取平均值，按时间取平均值，则则平均值等于零平均值等于零。但这些值的。但这些值的均方根不等于零均方根不等于零，这个，这个均方根电压均方根电压(流流)称为称为探测器的噪声电压探测器的噪声电压(流流)。16第十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1.信噪比信噪比(SN)1）作用：判定噪声大小。）作用：判定噪声大小。2）表示：在负载电阻）表示：在负载电阻RL上产生的上产生的信号功率与噪声功率之比信号功率与噪声功率之比：分贝分贝(dB)表示：表示：3 3）注意）注意利用利用SN评价两种光电探测器性能时，评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同必须在信号辐射
16、功率相同的情况下的情况下才能比较。才能比较。对单个光电探测器，其对单个光电探测器，其S/NS/N的大小与入射信号辐射功率及接收的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，S/NS/N就大，但性能不就大，但性能不一定就好。因此用一定就好。因此用S/NS/N评价器件有一定的评价器件有一定的局限性局限性。17第十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)（最小可探测功率（最小可探测功率Pmin）1）定义）定义为为信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率之之比比为为1(即即SN1)时时，入入射到探测器上的射到探
17、测器上的辐射通量辐射通量(单位为瓦单位为瓦)。一个良好的探测器件的一个良好的探测器件的NEP约为约为10-11W。NEP越小，越小，噪声越小，器件的性能越好。噪声越小，器件的性能越好。应指明测量条件，如应指明测量条件，如光谱分布光谱分布、频率、温度等频率、温度等。2 2）作用：）作用：确定光电探测器件的探测极限确定光电探测器件的探测极限。18第十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。3探测率探测率D与比探测率与比探测率D*只只用用NEP无无法法比比较较两两个个不不同同来来源源的的光光探探器器的的优优劣劣。引引入入两个新的性能参数两个新的性能参数探测率探测率D和比探测率和比探测率D*1）探测率探
18、测率D定义为定义为NEP的倒数，即的倒数，即它它描描述述的的特特性性是是：光光电电探探测测器器在在它它的的噪噪声声电电平平之之上上产产生生一一个个可可观观测测的的电电信信号号的的本本领领，即即光光电电探探测测器器能能响响应应的入射光功率越小，则其探测率越高。的入射光功率越小，则其探测率越高。探测率探测率D D与与光敏面积光敏面积A Ad d、测量带宽测量带宽有关。有关。19第十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2 2）比探测率比探测率D*为为了了能能方方便便地地对对不不同同来来源源的的光光电电探探测测器器进进行行比比较较，将将VN除除以以 ，则则D就就与与Ad和和带带宽宽无无关关了了。也也
19、就就是是归归一一化化到到测测量量带带宽宽为为1Hz、光光探探测测器器光光敏敏面面积积为为1cm2。这这种种归归一一化化的的探探测测率率一一般般称称为为比比探探测测率率，通通常常用用D*记记之之。根根据据定义，定义，D*的表达式为的表达式为:20第二十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。4暗电流暗电流Id光电探测器在光电探测器在没有输入信号和背景辐射时没有输入信号和背景辐射时所流过的电流所流过的电流（加电源时）。（加电源时）。一般测量其直流值或平均值。一般测量其直流值或平均值。21第二十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。四、其他参数1.量子效率量子效率（）2.线性度线性度22第二十二页，编辑
20、于星期六：十六点 三十四分。1.量子效率量子效率（）1）量量子子效效率率是是评评价价光光电电器器件件性性能能的的一一个个重重要要参参数数，它它是是在在某某一一特特定定波波长长上上每每秒秒钟钟内内产产生生的的光光电电子子数数与与入入射射光光量量子子数数之之比比。单个光量子的能量为单个光量子的能量为 ，单位波长的辐射通量为单位波长的辐射通量为波长增量波长增量 内的辐射通量为内的辐射通量为 在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N为为:量子流速率量子流速率N即为每秒入射的光量子数。即为每秒入射的光量子数。23第二十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。若若IS为
21、信号电流，为信号电流，e为电子电荷，为电子电荷，每秒产生的光电子数为：每秒产生的光电子数为：量子效率为：量子效率为：2 2）讨论）讨论 入射入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子一空穴对子一空穴对；实际上，实际上，。一般反映的是入射辐射与最初的光。一般反映的是入射辐射与最初的光敏元的相互作用。敏元的相互作用。对于对于有增益的光电探测器有增益的光电探测器(如光电倍增管等如光电倍增管等)，会远大于，会远大于1，此时我们一般使用，此时我们一般使用增益增益或或放大倍数放大倍数这个参数。这个参数。24第二十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.线性度线性度
22、1）定义）定义描描述述探探测测器器的的光光电电特特性性或或光光照照特特性性曲曲线线中中输输出出信信号号与与输输入入信信号号保保持持线线性性关关系系的的程程度度。即即在在规规定定的的范范围围内内，探探测测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。2）线性区）线性区在在规规定定的的范范围围内内，若若探探测测器器的的响响应应度度是是常常数数，这这一一规定的范围称为线性区。规定的范围称为线性区。光光电电探探测测器器线线性性区区的的大大小小与与探探测测器器后后的的电电子子线线路路有有很很大大关关系系。线线性性区区的的下下限限一一般般由由器器件件的的暗暗电电流流和和噪
23、噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。光光电电探探测测器器的的线线性性区区还还随随偏偏置置、辐辐射射调调制制及及调调制制频率频率等条件的变化而变化。等条件的变化而变化。25第二十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。3）线性度的）线性度的度量度量线线性性度度是是辐辐射射功功率率的的复复杂杂函函数数。是是指指器器件件中中的的实实际际响响应应曲曲线线接接近近拟拟合合直直线线的的程程度度，通通常常用用非非线线性性误误差差来度量：来度量：式式中中max为为实实际际响响应应曲曲线线与与拟拟合合直直线线之之间间的的最最大大误误差差；I2、I1分别为线性区中的最小和最
24、大响应值。分别为线性区中的最小和最大响应值。在在光光电电检检测测技技术术中中，线线性性度度是是应应认认真真考考虑虑的的问问题题之之一，应结合具体情况进行选择和控制。一，应结合具体情况进行选择和控制。26第二十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。例例：已已知知某某探探测测器器的的面面积积为为34cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，光光电电仪仪器器的的带带宽宽为为300Hz，该该仪仪器器所所能能探探测测的的光光辐辐射射的的最小辐射功率最小辐射功率？解：由解：由D*的定义：的定义：当当Vs/VN=1时，得到最小探测功率，时，得到最小探测功率，所以：所以：其其中中：Ad=34cm2，D*=1
25、011cmHz1/2w-1，=300Hz 代代入入，得得该该仪仪器器所所能能探探测测的的光光辐辐射射的的最最小小辐辐射射功功率率min=610-10W27第二十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1.1.4光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声问题噪声问题光电探测系统实际上是光信号的变换、传输及处理光电探测系统实际上是光信号的变换、传输及处理的系统。它除了包含光探测器外，还配有电子学系统的系统。它除了包含光探测器外，还配有电子学系统(例如低噪声前置放大器等例如低噪声前置放大器等)、光学系统、光学系统。因此，系统。因此，系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号在工作时，总会受到一些无
26、用信号的干扰，这些非信号的成分统称为噪声。的成分统称为噪声。主要噪声源主要噪声源：1 1）光电变换）光电变换器件器件中光电子随机起伏的干扰；中光电子随机起伏的干扰；2 2）辐射光场在传输过程中受到）辐射光场在传输过程中受到通道通道的影响的影响 3 3）背景光背景光的干扰；的干扰；4 4）放大器放大器引入的干扰等等。引入的干扰等等。28第二十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。广义上讲，任何叠加在信号上的不希望的随机扰广义上讲，任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自两动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：方面：(1)来自被研究系统的来自被研究系统
27、的外部外部(2)来自被研究系统来自被研究系统内部内部探测器探测器噪噪 声声光子噪声光子噪声电路噪声电路噪声一、光电系统中的噪声一、光电系统中的噪声29第二十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。(1)来自被研究系统的外部来自被研究系统的外部通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种干扰绝大多数是干扰绝大多数是“人为的人为的”，如，如电源电源50H z干扰干扰；工业设备电火花干扰工业设备电火花干扰等。等。但这种干扰多但这种干扰多具有一定规律性具有一定规律性。采取适当的措施采取适当的措施(如屏蔽、滤波、远离噪声源等如屏蔽、滤波、远离噪声源等)可可以将其
28、以将其减小或消除减小或消除。30第三十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。(2)来自被研究系统内部来自被研究系统内部来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程的过程的自然扰动自然扰动。例如：例如：导体中带电粒子无规则运动引起的导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声热噪声，光探测过程中光子计数引起的光探测过程中光子计数引起的散粒噪声散粒噪声等。等。这些过程是这些过程是随机过程随机过程，它既不能预知其精确大小及规，它既不能预知其精确大小及规律。律。不能完全消除不能完全消除，但可以得知其遵循的统计规律、，但可以得知其遵循的统计规律、也也可以可以通过一些措施
29、予以通过一些措施予以控制控制。31第三十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。噪声影响对信号特别是噪声影响对信号特别是微弱信号微弱信号的正确探测。的正确探测。一个光电探测系统的一个光电探测系统的极限探测能力极限探测能力往往由探测系统的往往由探测系统的噪声所限制。噪声所限制。所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域，所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。减小和消除噪声是十分重要的问题。32第三十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。噪声的度量噪声的度量噪噪声声是是一一种种随随机机信信号号，它它实实质质上上就就是是物物理理量量围围绕绕其其平平均均值值的的
30、涨涨落落现现象象。任任何何一一个个宏宏观观测测量量的的物物理理量量都都是是微微观观过过程程的的统统计计平平均均值值。研研究究噪噪声声一一般般采采用用长长周周期期测测定定其其均均方方值值(即即噪噪声声功功率率)的的方方法法，在在数数学上即用随机量的起伏方差来计算。学上即用随机量的起伏方差来计算。对对于于平平稳稳随随机机过过程程，通通常常采采用用先先计计算算噪噪声声电电压压(电电流流)的的平平方方值值，然然后后将其对时间作平均，来求噪声电压将其对时间作平均，来求噪声电压(电流电流)的均方值，即：的均方值，即：上上式式表表示示噪噪声声电电压压(电电流流)消消耗耗在在1电电阻阻上上的的平平均均功功率率
31、通通称称为为噪噪声声功功率。率。33第三十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。二、噪声的功率谱密度和相关性二、噪声的功率谱密度和相关性噪声的频谱分布噪声的频谱分布单位频谱的噪声功率单位频谱的噪声功率噪声功率（电压、电流）可由噪声功率（电压、电流）可由噪声功率谱密度噪声功率谱密度Sn(f)在频域积分得到。在频域积分得到。如果如果Sn(f)与频率无关，则对于一个具有带宽与频率无关，则对于一个具有带宽f的探的探测测系系统统：白噪声白噪声：平坦：平坦频频率特性，噪声特性率特性，噪声特性为为正正态态高斯分布高斯分布有色噪声有色噪声：1/f噪声噪声（红红噪声），噪声），蓝蓝噪声噪声相关性：相关性：完全不
32、相关完全不相关；部分相关部分相关34第三十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。三、光电探测器噪声三、光电探测器噪声在光电探测器中在光电探测器中固有噪声固有噪声主要有：主要有：热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声产生复合噪声产生复合噪声(gr噪声噪声)温度噪声温度噪声 噪声。噪声。35第三十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1.热噪声热噪声1）产生原因产生原因热热噪噪声声是是由由耗耗散散元元件件中中电电荷荷载载流流子子的的随随机机热热运运动动引引起起的的。任任何何一一个个处处于于热热平平衡衡条条件件下下的的电电阻阻，即使没有外加电压，也都有一定量的噪声。即使没有外加电压，也都有一定量的噪声。AB两
33、两极极间间的的电电阻阻为为R，在在绝绝对对温温度度T时时，体体内内的的电电子子处处于于不不断断的的热热运运动动中中，是是一一团团毫毫无无秩秩序序可可言言的的电电子子运运动。动。ABS36第三十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不会有从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不会有电流通过电流通过AB。但是如果考虑。但是如果考虑流过流过S面的电子数的均方偏差面的电子数的均方偏差，这样在这样在AB两端就应出现一两端就应出现一电压涨落电压涨落。2）度量度量这一电压涨落直到这一电压涨落直到1928年才为琼斯年才为琼斯(Johnson)的实验所证实。的实
34、验所证实。同时奈奎斯持同时奈奎斯持(Nyquist)推导出推导出热噪声功率热噪声功率为：为：式中式中k为玻尔兹曼常量，为玻尔兹曼常量，为测量带宽。为测量带宽。如用如用噪声电流噪声电流表示则为表示则为37第三十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。通常也用通常也用热噪声电流热噪声电流(电压电压)均方根均方根值来进行计算：值来进行计算：热热噪噪声声属属于于白白噪噪声声频频谱谱，一一般般说说来来，高高端端极极限限频频率率为：为：fH015kT1013Hz在室温下在室温下(T290k)，fH61012Hz，一般电子学，一般电子学系统工作频率远低于该值，故可认为热噪声为白噪声系统工作频率远低于该值，故可
35、认为热噪声为白噪声频谱。频谱。38第三十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。例例如如：室室温温条条件件下下R1k的的电电阻阻，在在 1Hz带带宽宽内内的均方根热噪声电压值约为的均方根热噪声电压值约为4nV；若若工工作作带带宽宽为为500kHz的的系系统统，放放大大器器增增益益为为104，则则在放大器输出端的热噪声均方根电压约在放大器输出端的热噪声均方根电压约28mV。在在微弱信号探测微弱信号探测中，是一个不可忽视的量。中，是一个不可忽视的量。？如何减小热噪声如何减小热噪声光电探测系统的一个重要问题。光电探测系统的一个重要问题。1 1）热噪声功率与探测器工作温度）热噪声功率与探测器工作温度T的
36、有关的有关制冷制冷。特。特别是对一些红外探测器。别是对一些红外探测器。2 2）同时在满足信号不失真的条件下，尽量）同时在满足信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带缩短工作频带。39第三十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2散粒噪声散粒噪声1）产生原因）产生原因探探测测器器的的散散粒粒噪噪声声是是由由于于探探测测器器在在光光辐辐射射作作用用或或热热激激发发下下，光光电电子子或或光光生生载载流流子子的的随随机机产产生生所所造造成成的的。由由于于随随机机起起伏伏是是一一个个一一个个的的带带电电粒粒子子或或电电子子引引起起的的，所所以以称称为为散散粒粒噪噪声。声。存在于存在于光电子发射器件光电子发射
37、器件、光生伏特器件光生伏特器件。电子管电子管中任一短时间中任一短时间内发射出来的电子决不会总是等内发射出来的电子决不会总是等于平均数，而是于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落围绕这一平均数有一涨落。40第四十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2）度量度量从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：式中式中e为电子电荷，为电子电荷，为探测器工作带宽。为探测器工作带宽。在无光照时的暗电流噪声功率为：在无光照时的暗电流噪声功率为：对于由光场作用的光辐射散粒噪声：对于由光场作用的光辐射散粒噪声：式中式中I IP P为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。为光辐射场作用
38、于探测器产生的平均光电流。3 3）特性特性散粒噪声也是散粒噪声也是白噪声白噪声，与频率无关与频率无关，热噪声起源于热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖于，因而依赖于kTkT，而散，而散粒噪声粒噪声直接起源于电子的粒子性直接起源于电子的粒子性，因而与，因而与e e直接有关。直接有关。41第四十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。3产生产生复合噪声复合噪声1）产生原因产生原因 半半导导体体中中由由于于载载流流子子产产生生与与复复合合的的随随机机性性而而引引起起的的平平均均载载流流子子浓浓度度的的起起伏伏所所产产生生的的噪噪声声称称为为产产生生复复合合噪噪声，亦称
39、声，亦称g-r噪声噪声(generationrecombination noise)。g-r噪声主要存在于光电导探测器中。噪声主要存在于光电导探测器中。g-r噪噪声声与与前前面面介介绍绍的的散散粒粒噪噪声声本本质质是是相相同同的的，都都是是由由于于载载流流子子数数随随机机变变化化所所致致，所所以以有有时时也也把把这这种种载载流流子子产产生生和复合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。和复合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。42第四十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2）度量度量除除了了考考虑虑载载流流子子由由于于吸吸收收光光受受到到激激发发产产生生的的载载流流子子数数的的随随机机起起伏伏外
40、外，还还要要考考虑虑到到载载流流子子在在运运动动过过程程个个复复合合的的随随机机性性。经经理理论论推推导导gr噪声的表达式为：噪声的表达式为：式中，式中，e为电子电荷，为电子电荷，为平均电流，为平均电流，为探测器的工作带宽为探测器的工作带宽，为光电导探测器的为光电导探测器的内增益内增益，它是载流子平均寿命，它是载流子平均寿命0和渡和渡 越时间越时间d的比值。的比值。43第四十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。4温度噪声温度噪声 1 1）产生原因产生原因热热探探测测器器通通过过热热导导G与与处处于于恒恒定定温温度度的的周周围围环环境境交交换换热热能能。在在无无辐辐射射存存在在时时，尽尽管管热
41、热探探测测器器处处于于某某一一平平均均温温度度T0，但但实实际际上上热热探探测测器器在在T0附附近近呈呈现现一一个个小小的的起起伏伏，这这种种温温度度起起伏伏引引起起的的热热探探测测器器输输出出起起伏伏称称为为温温度噪声。度噪声。2 2）度量度量理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：温度噪声功率温度噪声功率与热导成正比与热导成正比，与探测器，与探测器工作温度的平方成正比工作温度的平方成正比。温度噪声温度噪声主要主要存在于热探测器存在于热探测器中。它中。它最终限制了热探测器所探测的最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量最小辐射能量
42、。44第四十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。5电流噪声电流噪声(噪声噪声)目目前前对对1 1f f噪噪声声的的成成因因尚尚未未完完全全清清楚楚，但但通通常常认认为为它它是是由由半半导导体体的表面电流所引起的故又称为电流噪声。的表面电流所引起的故又称为电流噪声。特特点点是是噪噪声声功功率率谱谱密密度度与与频频率率成成反反比比。电电流流噪噪声声的的均均方方值值可可用用经经验验公式表示为：公式表示为：式式中中k k1 1为为比比例例系系数数，与与探探测测器器制制造造工工艺艺、电电极极接接触触情情况况、半半导导体体表表面面状状态态及及器器件件尺尺寸寸有有关关；a为为与与材材料料有有关关的的常常数数，通通常常在在0.80.81.31.3之之间间，大大多多数数材材料料可可近近似似取取为为1 1；b b与与流流过过器器件件的的电电流流I I有有关关，通通常常取取值值2 2；主要出现在主要出现在lkHzlkHz以下的低频区以下的低频区。45第四十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。