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光探测器噪声光探测器噪声郭丹郭丹一、定义：一、定义：光电探测器在光电转换时，要受光电探测器在光电转换时，要受 到无用信号的干扰，称为光电探测到无用信号的干扰，称为光电探测 器的噪声。器的噪声。噪声概念噪声概念探探测测器器放放大大器器示波器示波器(a)(b)(c)光光二、二、噪声的度量噪声的度量：噪声实质上就是噪声实质上就是某个某个物理量围绕其物理量围绕其 平均值的涨落现象平均值的涨落现象。研究噪声一般采研究噪声一般采 用长周期测定其均方值用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。我们一般采用我们一般采用先计算噪声电压先计算噪声电压(电流电流)的平方值，然后将其对时间作平均，来的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压求噪声电压(电流电流)的均方值的均方值。噪声功率谱噪声功率谱N N（f f）：）：表示噪声功率随表示噪声功率随 频率的变化关系。频率的变化关系。白噪声白噪声 1/f1/f噪声噪声三、按照噪声的产生，可分为：三、按照噪声的产生，可分为：光探测器中的噪声光探测器中的噪声 依据噪声产生的物理原因，光电探依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声测器的噪声主要主要为为散粒噪声散粒噪声、1/f噪声噪声、产生产生复合噪声复合噪声、热噪声热噪声和和温度温度噪声噪声。在光电转换过程中，半导体中的在光电转换过程中，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，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。不可避免地与信号同时出现。尤其在信号尤其在信号较弱时较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响，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。热噪声热噪声 一、产生原因：一、产生原因：由于载流子的热运动而引起的电流或由于载流子的热运动而引起的电流或 电压的随机起伏。电压的随机起伏。这种噪声存在于任何半导体和导体中。这种噪声存在于任何半导体和导体中。二、度量：二、度量：三、特点：三、特点：热噪声起源于热平衡条件下电子的粒热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖于子性，因而依赖于kT。热噪声属于白噪声。热噪声属于白噪声。降低温度和通带，可以减少噪声功率。降低温度和通带，可以减少噪声功率。散粒噪声散粒噪声一、产生原因：一、产生原因：探测器的散粒噪声是由于探测器在光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，辐射作用或热激发下，光电子或光生载光电子或光生载 流子流子的随机产生所造成的。由于随机起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，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。所以称为散粒噪声。这种噪声存在于所有光电探测器中。这种噪声存在于所有光电探测器中。二、度量：二、度量：式中式中q为电子电荷，为电子电荷，I为器件输出的平均为器件输出的平均 电流。电流。三、特点：三、特点：散粒噪声直接起源于电子的粒子性，散粒噪声直接起源于电子的粒子性，因而与因而与e直接有关。直接有关。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。产生复合噪声产生复合噪声 一、产生原因：一、产生原因：半导体中由于载流子半导体中由于载流子产生产生与与复合复合的的 随机性而引起的平均载流子浓度的起伏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所产生的噪声称为产生复合噪声。复合噪声。产生产生复合噪声主要存在于光电导复合噪声主要存在于光电导 探测器中。探测器中。二、度量：二、度量：式中式中I为总的平均电流，为总的平均电流，N0为自由载流为自由载流 子数，子数，f为测量噪声的频率。为测量噪声的频率。1/f 1/f噪声噪声 一、产生原因：一、产生原因：这种噪声是由于这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀光敏层的微粒不均匀 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，当电流流 过时在微粒间发生微火花放电而引起的过时在微粒间发生微火花放电而引起的 微电爆脉冲。微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约它主要出现在大约1KHz1KHz以下的低频频域，以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率而且与光辐射的调制频率f f成反比，故称成反比，故称 为低频噪声或为低频噪声或1/f 1/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)对这种噪声的影响很大，对这种噪声的影响很大，这种噪声的功率谱近似与频率成反比。这种噪声的功率谱近似与频率成反比。二、度量：二、度量：式中式中 接近于接近于2 2，取取0.8-1.50.8-1.5，c c是比是比例常数。例常数。三、特点：三、特点：主要出现在主要出现在lkHz以下的低频区。以下的低频区。一般说，只要限制低频端的调制频率一般说，只要限制低频端的调制频率 不低于不低于1千赫兹，这种噪声就可以防止。千赫兹，这种噪声就可以防止。温度温度噪声噪声 一、产生原因：一、产生原因：当外界环境中的温度恒定，在辐射当外界环境中的温度恒定，在辐射 信号没有发生变化时，由于器件本身存在信号没有发生变化时，由于器件本身存在 吸收和传导等热交换，这种由温度起伏引吸收和传导等热交换，这种由温度起伏引 起的热探测器输出起伏称为温度噪声。起的热探测器输出起伏称为温度噪声。二、度量：二、度量：式中式中 为器件的热导，为器件的热导，为器件的为器件的热时间常数，热时间常数，为器件的热容，为器件的热容，T为周围为周围温度。温度。三、特点：三、特点：温度噪声功率与热导成正比，与探测器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。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最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。能量。噪声分布噪声分布 谢谢！谢谢！