光电探测器的噪声

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。表示信号)(tuS号传输或变换后得到的信)(tu∴噪声信号)()()(tututusn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1Ω电阻上的平均功率通称为噪声功率。22)]([tuUnn22)]([tiinn噪声功率谱N（f）：表示噪声功率随频率的变化关系白噪声fN（f）01/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τ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IP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。fIein22ffeIidnd22feIipnp221）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—recombinationnoise)。•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g—r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τ0和渡越时间τd的比值。fMIeirng42IfdM0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。ABS3.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fRkTUnJ42fRfkTinJ422/124RfkTinJ2/124fRkTUnJ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k1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。abnfffIki122）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T0，但实际上热探测器在T0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。fGkTWT2245.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ΔT，从而导致热流量的变化Δφ，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。ni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）