光电探测器的噪声PPT讲稿.ppt
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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
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