1、11.1.3 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 光电系统一般都是围绕光电探测器的光电系统一般都是围绕光电探测器的性能性能进行设计进行设计的，而探测器的性能由的，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下的一些参数来表征。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2一、光电探测器的工作条件一、光电探测器的工作条件光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，在给出性能参数时，在给出性能参数时，要注明有关的工作条件要注明有关的工作条件。这一。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使
2、互换使用用。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31.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应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为的辐射有信号输出，称为光谱响应光谱响应，它决定了，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用器的性能时，一般都需要给出
3、测定性能时所用辐射源的光谱分布。辐射源的光谱分布。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。42.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)。噪声电压或电流均噪声电压或电流均正比于带宽的平方根正比于带宽的平方根，有些噪声，有些噪声还是频率的函数。还是频率的函数。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
4、通频带和带宽。53.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，都和工作温度有密器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，所以必须切关系，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)64.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，大部分探测器的信噪比与测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例光敏面积
5、的平方根成比例。参考面积一般为参考面积一般为1cm2。75.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。例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源偏置电源信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明说明偏置的情况偏置的情况。此外，对于此外，对于受背景光子噪声限制受背景光子噪声限制的探测器，应的探测器，应注明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。8二、有关响应方面的性能参数二、有关响应方面的性能参数 1
6、.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91.响应率响应率(或称响应度或称响应度)Rv或或RI 1 1）响应率是）响应率是描述探测器灵敏度描述探测器灵敏度的参量。它表征探的参量。它表征探测器测器输出输出信号信号与与输入输入辐射辐射之间关系的参数。又称之间关系的参数。又称为光电探测器的为光电探测器的灵敏度灵敏度。2 2）定义：光电探测器的输出均方根电压）定义：光电探测器的输出均方根电压VsVs或电流或电流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
7、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。102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度单色灵敏度，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）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与
8、入射到探测器上单色辐射通量器上单色辐射通量(光通量光通量)之比。之比。(V/W)(V/W)(A/W)(A/W)式中，式中，()()为入射的单色辐射通量或光通量。如果为入射的单色辐射通量或光通量。如果()()为光通量，则为光通量，则R Rvv的单位为的单位为V Vlmlm。()VV sR()sIIR113.积分灵敏度积分灵敏度积分灵敏度积分灵敏度表示探测器对表示探测器对连续辐射通量连续辐射通量的反应的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：量为：光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分灵敏度。之
9、比称为积分灵敏度。d)(012由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：射引起的，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，因此提一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时供数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。0011()()()ssIIdRd 0101)()(ddRR0113
10、 4.响应时间响应时间 1 1）响应时间是描述光电探测器对）响应时间是描述光电探测器对入射辐射入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）当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的入射辐射遮断后，光电探测器的输输出上升到稳定值出上升到稳定值或或下降到照射前的下降到照射前的值值所需时间称为响应时间。常用所需时间称为响应时间。常用时时间常数间常数 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，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短，如方被，则光电探
11、测器的输出由于由于器件的惰性器件的惰性而有延迟，把从而有延迟，把从1010上升到上升到9090峰值处所需的时间称峰值处所需的时间称为探测器的为探测器的上升时间上升时间，而把从，而把从9090下降到下降到1010处所需的时间称为处所需的时间称为下降下降时间时间。145.频率响应频率响应入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频频率响应率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐
12、射调制频率的关系，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。2120)2(1)(fRfR)(fRf707.021)(0RfR12f上156.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
13、光辐射波长光辐射波长变化变化的特的特性。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关波长无关，与辐射功率有关。，与辐射功率有关。16三、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。但当管它的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率入射功率很低很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法时，输出只是些杂乱无章的变化信号
14、，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器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，而是它所不好引起的，而是它所固有的固有的“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些随时间而起伏的电压电压(流流)按时间取平均按时间取平均值，则值，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，这个均方根电压这个均方根电压(流流)称为称为探测器的噪声电压探测器的噪声电压(流流)。171.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
15、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必须在信号辐射功率相同的情况下相同的情况下才能比较。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。2222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINSlg2
16、0lg10)(22182.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）定义为信号功率与噪声功率之比为为信号功率与噪声功率之比为1(即即SN1)时，时，入射到探测器上的入射到探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，噪声越小，器件的性能越好。越小，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。NSNEPe/193探测率探测率D与比探测率
17、与比探测率D*只用只用NEP无法无法比较两个不同来源的光探器比较两个不同来源的光探器的优劣。的优劣。引入两个新的性能参数引入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）探测率探测率D定义为定义为NEP的倒数，即的倒数，即它描述的特性是：它描述的特性是：光电探测器在它的噪声电平之上光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领产生一个可观测的电信号的本领，即光电探测器能响，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。应的入射光功率越小，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。/1NVs VDNEP202 2）
18、比探测率比探测率D*为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，将将VN除以除以 ，则，则D就与就与Ad和带宽无关了。也就是归和带宽无关了。也就是归一化到一化到测量带宽为测量带宽为1Hz、光探测器、光探测器光敏面积为光敏面积为1cm2。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用D*记之。根据定义，记之。根据定义，D*的表达式为的表达式为:fAd)(121WHzcm/*SNdVVDAf214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所流过的电流（加电源时）
19、。流（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。22四、其他参数1.量子效率量子效率（）2.线性线性度度231.量子效率量子效率（）1）量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它）量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在是在某一特定波长某一特定波长上上每秒钟内产生的光电子数每秒钟内产生的光电子数与与入射光入射光量子数之比量子数之比。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
20、即为每秒入射的光量子数。即为每秒入射的光量子数。hcheddehcdhdNee24若若IS为信号电流，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一一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子一空穴对对电子一空穴对；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，会远大于大于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
21、放大倍数这个参数这个参数。SeIRdee/()SIeR hcNe()1()1 252.线性度线性度1）定义）定义描述探测器的描述探测器的光电特性光电特性或或光照特性曲线光照特性曲线中中输出信号输出信号与输入信号保持线性关系的程度与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围。即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。能。2）线性区）线性区在规定的范围内，若探测器的在规定的范围内，若探测器的响应度是常数响应度是常数，这，这一规定的范围称为线性区。一规定的范围称为线性区。光电探测器线性区的大小与光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路
22、探测器后的电子线路有很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和有很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制偏置、辐射调制及调制频率频率等条件的变化而变化。等条件的变化而变化。263）线性度的）线性度的度量度量线性度是辐射功率的复杂函数。是线性度是辐射功率的复杂函数。是指器件中的实指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用，通常用非线性误非线性误差差来度量：来度量：式中式中max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大为实际响
23、应曲线与拟合直线之间的最大误差；误差；I2、I1分别为线性区中的最小和最大响应值。分别为线性区中的最小和最大响应值。在在光电检测技术光电检测技术中，线性度是应认真考虑的问题中，线性度是应认真考虑的问题之一，应结合具体情况进行选择和控制。之一，应结合具体情况进行选择和控制。12maxII 27例：已 知 某 探 测 器 的 面 积 为例：已 知 某 探 测 器 的 面 积 为 3 4 c m2，D*=1011cmHz1/2w-1，光电仪器的带宽为，光电仪器的带宽为300Hz，该仪，该仪器所能探测的光辐射的器所能探测的光辐射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
24、=1时，得到最小探测功率，时，得到最小探测功率，所以：所以：其中：其中：Ad=34cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，=300Hz 代入，得该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功代入，得该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功率率min=610-10W/*SNdVVDAfmin1*dDAf281.1.4 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
25、。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，这些非信在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号的成分统称为噪声。号的成分统称为噪声。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。29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动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自
26、两方面：两方面：(1)来自被研究系统的来自被研究系统的外部外部(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30(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种干扰绝大多数是“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
27、以将其可以将其减小或消除减小或消除。31(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，它既不能预知其精确大小及规律。及规律。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予以通过一些措施予以控制控制。32
28、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往往由探测系统的噪声所限制。的噪声所限制。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。33噪声的度量噪声的度量噪声是一种噪声是一种随机信号随机信号，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨，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统计平均值值。研
29、究噪声一般采用。研究噪声一般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，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。在数学上即用随机量的起伏方差来计算。对于对于平稳随机过程平稳随机过程，通常采用先计算噪声电压，通常采用先计算噪声电压(电流电流)的平方值，的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压然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上的平均功率通称为噪声功率。声功率。22)(tuUnn22)(tiinn34二、噪声的功率谱密度和相关性二、噪声的
30、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)在在频域积分得到。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的探测的探测系统：系统：白噪声白噪声：平坦频率特性，噪声特性为正态高斯分布：平坦频率特性，噪声特性为正态高斯分布有色噪声有色噪声：1/f噪声噪声（红噪声），（红噪声），蓝噪声蓝噪声相关性：相关性：完全不相关完全不相关；部分相关部分相关2()nniSff35三、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
31、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。f1361.热噪声热噪声1）产生原因产生原因热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的。任何一个处于动引起的。任何一个处于热平衡条件热平衡条件下的电阻，下的电阻，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两极间的电阻为两极间的电阻为R，在绝对温度，在绝对温度T时，体内时，体内的电子处于不断的热运动中，是一团毫无秩序可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。言的电子
32、运动。ABS37从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不会有电流通过会有电流通过AB。但是如果考虑。但是如果考虑流过流过S面的电子数的面的电子数的均方偏差均方偏差，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)的实验所的实验所证实。同时奈奎斯持证实。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fRkTUnJ
33、 42fRfkTinJ4238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，一般说来，一般说来，高端极限高端极限频率频率为：为：fH015kT1013Hz在室温下在室温下(T290k)，fH61012Hz，一般电子，一般电子学系统工作频率远低于该值，故可认为热噪声为学系统工作频率远低于该值，故可认为热噪声为白噪声频谱。白噪声频谱。2/124RfkTinJ2/124fRkTUnJ39例如：室温条件下例如：室温条件下R1k的电阻，在的电阻，在 1Hz带宽带宽内的均方根热噪声电压值约为内的均方根热噪声电压值约为4nV
34、；若工作带宽为若工作带宽为500kHz的系统，放大器增益为的系统，放大器增益为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的有关的有关制冷制冷。特别是对一些红外探测器。特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，尽量缩短工作频缩短工作频带带。f402散粒噪声散粒噪声1）产
35、生原因）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，下，光电子或光生载流子的随机产生光电子或光生载流子的随机产生所造成的。由于随所造成的。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。散粒噪声。存在于存在于光电子发射器件光电子发射器件、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内发射出来的电子决不会总是等于平均数，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。412）度量度量从涨落的均方偏差可求出散粒
36、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，而散粒噪声散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
37、，因而与e e直接有关直接有关。fIein22ffeIidnd 22feIipnp 22423产生产生复合噪声复合噪声1）产生原因产生原因 半导体中由于载流子半导体中由于载流子产生与复合的随机性产生与复合的随机性而引起的而引起的平均载流子浓度的起伏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复合噪声，亦称合噪声，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噪声与前面介绍的散粒噪声噪声与前面介绍的散粒噪声本质是相同的本质是相同的，都，都是由于载流子数随机变化所致，所以有
38、时也把这种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。粒噪声。432）度量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个伏外，还要考虑到载流子在运动过程个复合的随机性复合的随机性。经理论。经理论推导推导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，
39、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。fMIeirng42IfdM0444温度噪声温度噪声 1 1）产生原因产生原因热探测器通过热探测器通过热导热导G与处于恒定温度的与处于恒定温度的周围环境交换热能周围环境交换热能。在无辐。在无辐射存在时，尽管热探测器处于某一平均温度射存在时，尽管热探测器处于某一平均温度T0，但实际上热探测器，但实际上热探测器在在T0附近呈现一个小的起伏，这种附近呈现一个小的起伏，这种温度起伏引起的温度起伏引起的热探测器输出起热探测器输出起伏称为温度噪声。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
40、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最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量的最小辐射能量。fGkTWT224455电流噪声电流噪声(噪声噪声)目前对目前对1 1f f噪声的噪声的成因尚未完全清楚成因尚未完全清楚，但通常认为它是由半导体，但通常认为它是由半导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。特点是特点是噪声功率谱密度与频率成反比噪声功率谱密度与频率成反比。电流噪声的均方值可用经。电流噪声的均方值可用经验公式表示为：验公式表示为：式中式中k k1 1为比例系数，与探测器制造工艺、电极接触情况、半导体为比例系数，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；表面状态及器件尺寸有关；a为与材料有关的常数，通常在为与材料有关的常数，通常在0.80.81.31.3之间，大多数材料可近似取为之间，大多数材料可近似取为1 1；b b与流过器件的电流与流过器件的电流I I有关，有关，通常取值通常取值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。f/1abnfffIki12
