光电探测器的噪声.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.3 光电探测器的噪声,一、噪声概念,1定义,：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噪声信号,探,测,器,放,大,器,示波器,(a),(b),(c),光,2.,噪声的度量,噪声是一种,随机信号,，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的,统计平均值,研究噪声一般采用,长周期测定其均方值(即噪声功率),的方法对于,平稳随机过程,，通常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：,上式表示噪声电压(电流)消耗在,1,电阻,上的平均功率通称为噪声功率噪声功率谱N（f,）：,表示噪声功率随频率的变化关系,白噪声,f,N（f）,0,1/f噪声,3.,按噪声产生的原因，可分为以下几类,噪声,外部原因,内部原因,人为噪声,自然噪声,散粒噪声,产生复合噪声,光子噪声,热噪声,低频噪声,温度噪声,放大器噪声,有形噪声,（可以预知，可设法减小和消除）,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,散粒噪声、产生复合噪声、热噪声,和,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号同时出现尤其在,信号较弱,时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性1.散粒噪声：,1）产生原因,探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下，,光电子或光生载流子的随机产生,所造成的由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声这种噪声存在于,所有,光电探测器中电子管,中任一短时间内发射出来的电子决不会总是等于平均数，而是,围绕这一平均数有一涨落,2）度量,从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：,式中,e,为电子电荷，为探测器工作带宽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：,式中,I,P,为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流3）特性,散粒噪声也是,白噪声,，,与频率无关,，,热噪声起源于,热平衡条件下电子的粒子性,，因而依赖于kT，而散粒噪声,直接起源于电子的粒子性,，因而与e直接有关。

1）产生原因,半导体中由于载流子,产生与复合的随机性,而引起的,平均载流子浓度的起伏,所产生的噪声称为产生复合噪声，亦称,g,-,r,噪声,(generation,recombination noise),g,-,r,噪声主要存在于光电导探测器中g,-,r,噪声与前面介绍的散粒噪声,本质是相同的,，都是由于载流子数随机变化所致，所以有时也把这种载流子产生和复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,2）度量,除了考虑载流子由于吸收光受到激发产生的载流子数的随机起伏外，还要考虑到载流子在运动过程,中,复合的随机性,经理论推导gr噪声的表达式为：,式中，,e,为电子电荷，为平均电流，,为探测器的工作带宽,，,为光电导探测器的,内增益,，它是载流子平均寿命,0,和渡,越时间,d,的比值1）产生原因,热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的任何一个处于,热平衡条件,下的电阻，即使没有外加电压，也都有一定量的噪声AB两极间的电阻为R，在绝对温度T时，体内的电子处于不断的热运动中，是一团毫无秩序可言的电子运动从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不会有电流通过AB但是如果考虑,流过S面的电子数的均方偏差,，这样在AB两端就应出现一,电压涨落,。

A,B,S,3,.热噪声,2）度量,这一电压涨落直到1928年才为琼斯(Johnson)的实验所证实同时奈奎斯持(Nyquist)推导出,热噪声功率,为：,式中k为玻尔兹曼常量，为测量带宽如用,噪声电流,表示则为,通常也用,热噪声电流(电压)均方根,值来进行计算：,热噪声属于,白噪声频谱,4,.1/,f,噪声,1/f 噪声又称为,闪烁或低频噪声,这种噪声是由于,光敏层的微粒不均匀,或,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几乎在所有探测器中都存在这种噪声它主要出现在大约,1KHz,以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率,f,成反比，故称为低频噪声或1/,f,噪声实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为,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1千赫兹，这种噪声就可以防止1）产生原因,电流噪声的均方值可用经验公式表示为：,式中,k,1,为比例系数，与探测器制造工艺、电极接触情况、半导体表面状态及器件尺寸有关；,a,为与材料有关的常数，通常在,0.8,1.3,之间，大多数材料可近似取为,1,；,b,与流过器件的电流,I,有关，通常取值,2,；,主要出现在lkHz以下的低频区,。

2）度量,1）产生原因,热探测器通过,热导G,与处于恒定温度的,周围环境交换热能,在无辐射存在时，尽管热探测器处于某一平均温度T,0,，但实际上热探测器在,T,0,附近呈现一个小的起伏,，这种,温度起伏引起的,热探测器输出起伏称为温度噪声2）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：,温度噪声功率,与热导成正比,，与探测器,工作温度的平方成正比,温度噪声,主要,存在于热探测器,中它,最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量,5,.温度噪声,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：,对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流 ；,对于温度噪声，材料温度有变化,T,，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高频,中频,低频,光电探测器中的噪声分布,1/f低频噪声,产生复合噪声,散粒噪声和,热噪声,（白噪声）,单位带宽噪声电流均方值对数,logB,拐点（1KHz）,拐点（1MHz）,。