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1、光电探测器的噪声第1页，共17页，编辑于2022年，星期四一、噪声概念一、噪声概念1 1定义定义：光电探测器在光电转换时，要受到无：光电探测器在光电转换时，要受到无用信号的干扰，称为光电探测器的噪声。用信号的干扰，称为光电探测器的噪声。噪声信号噪声信号 探探测测器器放放大大器器示波器示波器(a)(b)(c)光光第2页，共17页，编辑于2022年，星期四2.2.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。
2、研研究究噪噪声声一一般般采用采用长周期测定其均方值长周期测定其均方值(即噪声功率即噪声功率)的方法。的方法。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，然然后将其对时间作平均，来求噪声电压后将其对时间作平均，来求噪声电压(电流电流)的均方值，即：的均方值，即：上式表示噪声电压上式表示噪声电压(电流电流)消耗在消耗在1电阻电阻上的平均功率通称为噪声功率。上的平均功率通称为噪声功率。第3页，共17页，编辑于2022年，星期四噪声功率谱噪声功率谱N N（f f）：）：表示噪声功率随频率的表示噪声功率随频率的变化关系变化关系白噪声白噪声f
3、N（f）01/f噪声第4页，共17页，编辑于2022年，星期四3.按噪声产生的原因，可分为以下几类按噪声产生的原因，可分为以下几类 噪声噪声 外部原因外部原因 内部原因内部原因 人为噪声人为噪声 自然噪声自然噪声散粒噪声散粒噪声 产生复合噪声产生复合噪声 光子噪声光子噪声 热噪声热噪声 低频噪声低频噪声 温度噪声温度噪声 放大器噪声放大器噪声 有形噪声有形噪声（可以预知，可设法减小和消除）（可以预知，可设法减小和消除）第5页，共17页，编辑于2022年，星期四二、光电探测器的噪声源二、光电探测器的噪声源 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声主要为依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声主要
4、为散粒噪声、散粒噪声、产生产生复合噪声、热噪声复合噪声、热噪声和和低频噪声低频噪声。是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。的起伏，是与器件密切相关的一个参量。因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信一瞬间出现多少载流子是
5、不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在号同时出现。尤其在信号较弱信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。信号探测的准确性。第6页，共17页，编辑于2022年，星期四1.1.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。这种噪声存在于
6、这种噪声存在于所有所有光电探测器中。光电探测器中。电电子子管管中中任任一一短短时时间间内内发发射射出出来来的的电电子子决决不不会会总总是是等于平均数，而是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落围绕这一平均数有一涨落。第7页，共17页，编辑于2022年，星期四2）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
7、。为光辐射场作用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，而散粒噪，而散粒噪声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。第8页，共17页，编辑于2022年，星期四1）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声，亦称亦称g-r
8、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和复复合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。2.产生复合噪声产生复合噪声第9页，共17页，编辑于2022年，星期四2）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
9、起起伏伏外外，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中中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。第10页，共17页，编辑于2022年，星期四1）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
10、阻，即即使使没没有有外外加加电电压压，也也都都有一定量的噪声。有一定量的噪声。AB两两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断的热运动中，是一团毫无秩序可言的电子运动。不断的热运动中，是一团毫无秩序可言的电子运动。从从时时间间平平均均来来说说，这这两两种种方方向向的的电电子子数数一一定定相相等等，不不会会有有电电流流通通过过AB。但但是是如如果果考考虑虑流流过过S面面的的电电子子数数的的均均方方偏偏差差，这这样在样在AB两端就应出现一两端就应出现一电压涨落电压涨落。ABS3.热噪声热噪声第11页，共17页，编辑于2022年，星期四2）度量）度量这
11、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)的实验所证的实验所证实。同时奈奎斯持实。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：热噪声属于热噪声属于白噪声频谱白噪声频谱第12页，共17页，编辑于2022年，星期四4.1/f 噪声噪声 1/f 1/f 噪声又称为噪声又称为闪烁或低频噪声闪烁或低频噪声。这种噪声是由于这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀光
12、敏层的微粒不均匀或或不必要的微量杂质的存在不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f f成反比，故称为低频噪成反比，故称为低频噪声或声或1/1/f f 噪声。噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等缺陷或不均匀等)对这种对这种噪声的影响很大，所以有时也称为噪声的影响很大，所
13、以有时也称为表面噪声或过剩噪声表面噪声或过剩噪声。一般说，只要限制低频端的调制频率不低于一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1 1千赫兹，这种千赫兹，这种噪声就可以防止。噪声就可以防止。1）产生原因）产生原因第13页，共17页，编辑于2022年，星期四电流噪声的均方值可用经验公式表示为：电流噪声的均方值可用经验公式表示为：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近似取
14、为可近似取为1 1；b b与流过器件的电流与流过器件的电流I I有关，通常取值有关，通常取值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。2）度量）度量第14页，共17页，编辑于2022年，星期四 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附附近近呈现一个小的起伏呈现一个小的起伏，这种，这种温度起伏引起的温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温度噪声。热探测器输
15、出起伏称为温度噪声。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最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量小辐射能量。5.温度噪声温度噪声 第15页，共17页，编辑于2022年，星期四 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要区别在于：主要区别在于：对于热
16、噪声，材料的温度对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流生了随机性电流 ；对于温度噪声，材料温度有变化对于温度噪声，材料温度有变化T，从而导致热流量的变化，从而导致热流量的变化，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。第16页，共17页，编辑于2022年，星期四高频高频中频中频低频低频光电探测器中的噪声分布光电探测器中的噪声分布1/f低频噪声低频噪声产生产生复合噪声复合噪声散粒噪声和热噪声散粒噪声和热噪声（白噪声）（白噪声）单单位位带带宽宽噪噪声声电电流流均均方方值值对对数数logB拐点拐点（1KHz）拐点（拐点（1MHz）第17页，共17页，编辑于2022年，星期四