光電探測器的物理基礎

1、1 1.1.3 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù) 光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的性能性能進行設計進行設計 的，而探測器的性能由的，而探測器的性能由特定工作條件特定工作條件下的一些參數(shù)來下的一些參數(shù)來 表征。表征。 實際參量實際參量 參考參量參考參量 測量條件測量條件 2 一、光電探測器的工作條件一、光電探測器的工作條件 光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關，光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關， 在給出性能參數(shù)時，在給出性能參數(shù)時，要注明有關的工作條件要注明有關的工作條件。這一。這一 點很重要，因為只有這樣，光電探測器才能點很重要，因為只有這樣

2、，光電探測器才能互換使互換使 用用。 主要工作條件有：主要工作條件有： 1輻射源的輻射源的光譜分布光譜分布 2電路的電路的通頻帶和帶寬通頻帶和帶寬 3工作溫度工作溫度 4光敏面尺寸光敏面尺寸 5偏置情況偏置情況 3 1.輻射源的光譜分布輻射源的光譜分布 很多光電探測器（特別是光子探測器），其響很多光電探測器（特別是光子探測器），其響 應是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi)應是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi) 的輻射有信號輸出，稱為的輻射有信號輸出，稱為光譜響應光譜響應，它決定了，它決定了 探測器探測特定目標的有效程度。在說明探測探測器探測特定目標的有效程度。在說明探測 器的性能時，一般都

3、需要給出測定性能時所用器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用 輻射源的光譜分布。輻射源的光譜分布。 如果輻射源是單色輻射，則需給出如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長輻射波長。 假如輻射源是黑體，那么要指明假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度黑體的溫度。 當輻射經(jīng)過調(diào)制時，則要說明當輻射經(jīng)過調(diào)制時，則要說明調(diào)制頻率調(diào)制頻率。 4 2.電路的通頻帶和帶寬電路的通頻帶和帶寬 因噪聲限制了探測器的極限性能因噪聲限制了探測器的極限性能(后面將詳細討論后面將詳細討論)。 噪聲電壓或電流均噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根正比于帶寬的平方根，有些噪聲，有些噪聲 還是頻率的函數(shù)。還是頻率的函數(shù)。 在描

4、述探測器的性能時，必須明確在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶寬通頻帶和帶寬。 5 3.工作溫度工作溫度 許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測 器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密 切關系，所以必須切關系，所以必須明確工作溫度明確工作溫度。 通用的工作溫度通用的工作溫度是：是： 室溫室溫(295K)、 干冰溫度干冰溫度(195K)、 液氮溫度液氮溫度(77K)、 液氫溫度液氫溫度(20.4K) 液氦溫度液氦溫度(4.2K) 6 4.光敏面尺寸光敏面尺寸 探測器的探測器的信號信號和和噪聲噪聲都和光敏面積有

5、關都和光敏面積有關，大部分探，大部分探 測器的信噪比與測器的信噪比與光敏面積的平方根成比例光敏面積的平方根成比例。 參考面積一般為參考面積一般為1cm2。 7 5.偏置情況偏置情況 大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。 例如：光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流例如：光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流 偏置電源偏置電源 信號和噪聲往往與偏置情況有關，因此要信號和噪聲往往與偏置情況有關，因此要說明說明 偏置的情況偏置的情況。 此外，對于此外，對于受背景光子噪聲限制受背景光子噪聲限制的探測器，應的探測器，應 注明注明光學視場光學視場和和背景溫度背景溫度。 對于對于非密

6、封型的薄膜探測器非密封型的薄膜探測器，要，要標明濕度標明濕度。 8 二、有關響應方面的性能參數(shù)二、有關響應方面的性能參數(shù) 1.響應率響應率(或稱響應度或稱響應度)Rv或或RI 2.單色靈敏度單色靈敏度 3.積分靈敏度積分靈敏度 4. .響應時間響應時間 5.頻率響應頻率響應 6.光譜響應光譜響應 9 1.響應率響應率(或稱響應度或稱響應度)Rv或或RI 1 1）響應率是）響應率是描述探測器靈敏度描述探測器靈敏度的參量。它表征探的參量。它表征探 測器測器輸出輸出信號信號與與輸入輸入輻射輻射之間關系的參數(shù)。又稱之間關系的參數(shù)。又稱 為光電探測器的為光電探測器的靈敏度靈敏度。 2 2）定義：光電探測

7、器的輸出均方根電壓）定義：光電探測器的輸出均方根電壓VsVs或電流或電流 IsIs與入射到光電探測器上的平均光功率之比。與入射到光電探測器上的平均光功率之比。 R Rv vV Vs ss s R RI Iis ss s 分別稱為光電探測器的分別稱為光電探測器的電壓響應率電壓響應率和和電流響應率電流響應率。 3 3）測量響應率的輻射源一般是）測量響應率的輻射源一般是500K500K的黑的黑體體。 4 4）單色靈敏度單色靈敏度和和積分靈敏度積分靈敏度。 10 2單色靈敏度單色靈敏度 1 1）如果使用波長為）如果使用波長為的單色輻射源，則稱為單色響應率或的單色輻射源，則稱為單色響應率或 單色靈敏度單

8、色靈敏度，又叫，又叫光譜響應度光譜響應度，用，用R R 表示， 表示， 2 2）定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測）定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測 器上單色輻射通量器上單色輻射通量( (光通量光通量) )之比。之比。 (V/W) (V/W) (A/W) (A/W) 式中，式中， ()()為入射的單色輻射通量或光通量。如果為入射的單色輻射通量或光通量。如果()() 為光通量，則為光通量，則R Rv v的單位為 的單位為V Vlmlm。 () V V s R () s I I R 11 3.積分靈敏度積分靈敏度 積分靈敏度積分靈敏度表示探測器對表示探測器對連續(xù)輻射通

9、量連續(xù)輻射通量的反應的反應 程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通 量為：量為： 光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量 之比稱為積分靈敏度。之比稱為積分靈敏度。 d)( 0 12 由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻 射引起的，所以輸出光電流為：射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為：可得積分靈敏度為： 式中，式中， 、 分別為光電探測器的分別為光電探測器的長波限長波限和和短波限短波限。 由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同由于采用不同的輻射源

10、，甚至具有不同色溫的同 一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提 供數(shù)據(jù)時供數(shù)據(jù)時應指明采用的輻射源及其色溫應指明采用的輻射源及其色溫。 00 11 ( )( )( ) ss IIdRd 0 1 0 1 )( )( d dR R 0 1 13 4. .響應時間響應時間 1 1）響應時間是描述光電探測器對）響應時間是描述光電探測器對 入射輻射入射輻射響應快慢響應快慢的一個參數(shù)。的一個參數(shù)。 2 2）當入射輻射到光電探測器后或）當入射輻射到光電探測器后或 入射輻射遮斷后，光電探測器的入射輻射遮斷后，光電探測器的輸輸 出上升到穩(wěn)定值出上升到穩(wěn)定值或或下

11、降到照射前的下降到照射前的 值值所需時間稱為響應時間。常用所需時間稱為響應時間。常用時時 間常數(shù)間常數(shù) 的大小來表示。的大小來表示。 當用一個輻射脈沖照射光電探測器，當用一個輻射脈沖照射光電探測器， 如果這個脈沖的上升和下降時間很如果這個脈沖的上升和下降時間很 短，如方被，則光電探測器的輸出短，如方被，則光電探測器的輸出 由于由于器件的惰性器件的惰性而有延遲，把從而有延遲，把從1010 上升到上升到9090峰值處所需的時間稱峰值處所需的時間稱 為探測器的為探測器的上升時間上升時間，而把從，而把從9090 下降到下降到1010處所需的時間稱為處所需的時間稱為下降下降 時間時間。 14 5.頻率響

12、應頻率響應 入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。 光電探測器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為光電探測器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻頻 率響應率響應。利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應度與入射輻射調(diào)。利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應度與入射輻射調(diào) 制頻率的關系，其表達式為：制頻率的關系，其表達式為： l 為頻率是為頻率是 時的響應度；時的響應度； lR0為頻率是零時的響應度；為頻率是零時的響應度； l為時間常數(shù)。為時間常數(shù)。 l當當 時，可得放大器時，可得放大器 的的上限截止頻率上限截止頻率 l顯然，時間

13、常數(shù)決定了光電探測顯然，時間常數(shù)決定了光電探測 器頻率響應的帶寬。器頻率響應的帶寬。 2 1 2 0 )2(1 )( f R fR )( fRf 707.0 2 1)( 0 R fR 1 2 f 上 15 6.光譜響應光譜響應 1）定義：）定義： 不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時，探測器的不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時，探測器的 響應率響應率和和比探測率比探測率等特性參量等特性參量隨隨光輻射波長光輻射波長變化變化的特的特 性。性。 2）單色靈敏度和單色探測率，）單色靈敏度和單色探測率，峰值波長峰值波長 3）光子探測器光子探測器的光譜響應的光譜響應 與波長有關，與波長有關，截止波長截止

14、波長 4）熱探測器熱探測器的光譜響應的光譜響應 與與波長無關波長無關，與輻射功率有關。，與輻射功率有關。 16 三、有關噪聲方面的參數(shù)三、有關噪聲方面的參數(shù) 從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不 管它的功率如何小，都可探測出來。但當管它的功率如何小，都可探測出來。但當入射功率入射功率 很低很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法 肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器 不好引起的，而是它所不好引起的，而是它所固有的固有的“噪聲噪聲”引起的。引起的。

15、如果對這些隨時間而起伏的如果對這些隨時間而起伏的電壓電壓( (流流) )按時間取平均按時間取平均 值，則值，則平均值等于零平均值等于零。但這些值的。但這些值的均方根不等于零均方根不等于零， 這個均方根電壓這個均方根電壓( (流流) )稱為稱為探測器的噪聲電壓探測器的噪聲電壓( (流流) )。 17 1.信噪比信噪比(SN) 1）作用：判定噪聲大小。）作用：判定噪聲大小。 2）表示：在負載電阻）表示：在負載電阻RL上產(chǎn)生的上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比信號功率與噪聲功率之比： 分貝分貝(dB)表示：表示： 3 3）注意）注意 利用利用SN評價兩種光電探測器性能時，評價兩種光電探測器性能時，必須在

16、信號輻射功率必須在信號輻射功率 相同的情況下相同的情況下才能比較。才能比較。 對單個光電探測器，其對單個光電探測器，其S/NS/N的大小與入射信號輻射功率及接收的大小與入射信號輻射功率及接收 面積有關。如果入射輻射強，接收面積大，面積有關。如果入射輻射強，接收面積大，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評價器件有一定的評價器件有一定的局限性局限性。 2 2 2 2 N s LN Ls N s I I RI RI P P N S N S N S dB I I I I N S lg20lg10)( 2 2 18 2.噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP

17、) （最小可探測功率（最小可探測功率Pmin） 1）定義）定義 為信號功率與噪聲功率之比為為信號功率與噪聲功率之比為1(即即SN1)時，時， 入射到探測器上的入射到探測器上的輻射通量輻射通量(單位為瓦單位為瓦)。 一個良好的探測器件的一個良好的探測器件的NEP約為約為10-11W。NEP 越小，噪聲越小，器件的性能越好。越小，噪聲越小，器件的性能越好。 應指明測量條件，如應指明測量條件，如光譜分布光譜分布、頻率、溫度等頻率、溫度等。 2 2）作用：）作用： 確定光電探測器件的探測極限確定光電探測器件的探測極限。 NS NEP e / 19 3探測率探測率D與比探測率與比探測率D* 只用只用NE

18、P無法無法比較兩個不同來源的光探器比較兩個不同來源的光探器的優(yōu)劣。的優(yōu)劣。 引入兩個新的性能參數(shù)引入兩個新的性能參數(shù)探測率探測率D和比探測率和比探測率D* 1）探測率探測率D定義為定義為NEP的倒數(shù)，即的倒數(shù)，即 它描述的特性是：它描述的特性是：光電探測器在它的噪聲電平之上光電探測器在它的噪聲電平之上 產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領，即光電探測器能響，即光電探測器能響 應的入射光功率越小，則其探測率越高。應的入射光功率越小，則其探測率越高。 探測率探測率D D與與光敏面積光敏面積A Ad d、測量帶寬測量帶寬有關。有關。 /1 N Vs V D NEP 20 2 2）

19、比探測率比探測率D* 為了能方便地對不同來源的光電探測器進行比較，為了能方便地對不同來源的光電探測器進行比較，將將 VN除以除以 ，則，則D就與就與Ad和帶寬無關了。也就是歸和帶寬無關了。也就是歸 一化到一化到測量帶寬為測量帶寬為1Hz、光探測器、光探測器光敏面積為光敏面積為1cm2。 這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常用這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常用D* 記之。根據(jù)定義，記之。根據(jù)定義，D*的表達式為的表達式為: fAd )( 1 2 1 WHzcm / * SN d VV DAf 21 4暗電流暗電流Id 光電探測器在光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時沒有輸入信號和背景

20、輻射時所流過的電所流過的電 流（加電源時）。流（加電源時）。 一般測量其直流值或平均值。一般測量其直流值或平均值。 22 四、其他參數(shù) 1.量子效率量子效率（） 2.線性度線性度 23 1.量子效率量子效率（） 1）量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它）量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它 是在是在某一特定波長某一特定波長上上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與與入射光入射光 量子數(shù)之比量子數(shù)之比。 單個光量子的能量為單個光量子的能量為 ， 單位波長的輻射通量為單位波長的輻射通量為 波長增量波長增量 內(nèi)的輻射通量為內(nèi)的輻射通量為 在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換算成量子流速率

21、在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換算成量子流速率N為為: 量子流速率量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)。即為每秒入射的光量子數(shù)。 hc h e d de hc d h d N ee 24 若若IS為信號電流，為信號電流，e為電子電荷，為電子電荷， 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為：每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為： 量子效率為：量子效率為： 2 2）討論）討論 入射入射一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一 對電子一空穴對對電子一空穴對； 實際上，實際上， 。一般反映的是入射輻射與最初的光。一般反映的是入射輻射與最初的光 敏元的相互作用。敏元的相互作用。 對于對于有增益的光電探測器有增益的光電探測

22、器(如光電倍增管等如光電倍增管等)，會遠，會遠 大于大于1，此時我們一般使用，此時我們一般使用增益增益或或放大倍數(shù)放大倍數(shù)這個參數(shù)。這個參數(shù)。 Se IRd ee / ( ) S IeR hc Ne ( ) 1 ( ) 1 25 2.線性度線性度 1）定義）定義 描述探測器的描述探測器的光電特性光電特性或或光照特性曲線光照特性曲線中中輸出信號輸出信號 與輸入信號保持線性關系的程度與輸入信號保持線性關系的程度。即在規(guī)定的范圍。即在規(guī)定的范圍 內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性 能。能。 2）線性區(qū)）線性區(qū) 在規(guī)定的范圍內(nèi)，若探測器的在規(guī)定的范

23、圍內(nèi)，若探測器的響應度是常數(shù)響應度是常數(shù)，這，這 一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。 光電探測器線性區(qū)的大小與光電探測器線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路探測器后的電子線路 有很大關系。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和有很大關系。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和 噪聲因素決定，上限由飽和效應或過載決定。噪聲因素決定，上限由飽和效應或過載決定。 光電探測器的線性區(qū)還隨光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制 頻率頻率等條件的變化而變化。等條件的變化而變化。 26 3）線性度的）線性度的度量度量 線性度是輻射功率的復雜函數(shù)。是線性度是輻射功率的復雜函數(shù)。是指器件中

24、的實指器件中的實 際響應曲線接近擬合直線的程度際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用，通常用非線性誤非線性誤 差差來度量：來度量： 式中式中max為實際響應曲線與擬合直線之間的最大為實際響應曲線與擬合直線之間的最大 誤差；誤差；I2、I1分別為線性區(qū)中的最小和最大響應值。分別為線性區(qū)中的最小和最大響應值。 在在光電檢測技術光電檢測技術中，線性度是應認真考慮的問題中，線性度是應認真考慮的問題 之一，應結(jié)合具體情況進行選擇和控制。之一，應結(jié)合具體情況進行選擇和控制。 12 max II 27 例 ： 已 知 某 探 測 器 的 面 積 為例 ： 已 知 某 探 測 器 的 面 積 為 3 4 c m

25、 2 ， D*=1011cmHz1/2w-1，光電儀器的帶寬為，光電儀器的帶寬為300Hz，該儀，該儀 器所能探測的光輻射的器所能探測的光輻射的最小輻射功率最小輻射功率？ 解：由解：由D*的定義：的定義： 當當Vs/VN=1時，得到最小探測功率，時，得到最小探測功率， 所以：所以： 其中：其中：Ad=34cm 2， ，D*=10 11cmHz1/2w-1， ， =300Hz 代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功 率率min=610-10W / * SN d VV DAf min 1 * d DAf 28 1.1.4 光電探測器的噪聲光電探測器的噪

26、聲 噪聲問題噪聲問題 光電探測系統(tǒng)實際上是光信號的變換、傳輸及處理光電探測系統(tǒng)實際上是光信號的變換、傳輸及處理 的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學系統(tǒng)的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學系統(tǒng) (例如低噪聲前置放大器等例如低噪聲前置放大器等)、光學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)。因此，系統(tǒng) 在工作時，總會受到一些無用信號的干擾，這些非信在工作時，總會受到一些無用信號的干擾，這些非信 號的成分統(tǒng)稱為噪聲。號的成分統(tǒng)稱為噪聲。 主要噪聲源主要噪聲源： 1 1）光電變換）光電變換器件器件中光電子隨機起伏的干擾；中光電子隨機起伏的干擾； 2 2）輻射光場在傳輸過程中受到）輻射光場在傳輸過程中受

27、到通道通道的影響的影響 3 3）背景光背景光的干擾；的干擾； 4 4）放大器放大器引入的干擾等等。引入的干擾等等。 29 廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機擾廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機擾 動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動主要來自動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動主要來自 兩方面：兩方面： (1)來自被研究系統(tǒng)的來自被研究系統(tǒng)的外部外部 (2)來自被研究系統(tǒng)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)部 探測器探測器 噪噪 聲聲 光子噪聲光子噪聲 電路噪聲電路噪聲 一、光電系統(tǒng)中的噪聲一、光電系統(tǒng)中的噪聲 30 (1)來自被研究系統(tǒng)的外部來自被研究系統(tǒng)的外部 通常由電、磁、機械、雜散光等因素所引起

28、，這通常由電、磁、機械、雜散光等因素所引起，這 種干擾絕大多數(shù)是種干擾絕大多數(shù)是“人為的人為的”，如，如 電源電源50H z干擾干擾； 工業(yè)設備電火花干擾工業(yè)設備電火花干擾等。等。 但這種干擾多但這種干擾多具有一定規(guī)律性具有一定規(guī)律性。 采取適當?shù)拇胧┎扇∵m當?shù)拇胧?如屏蔽、濾波、遠離噪聲源等如屏蔽、濾波、遠離噪聲源等) 可以將其可以將其減小或消除減小或消除。 31 (2)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部 來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物理來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物理 過程的過程的自然擾動自然擾動。 例如：例如： 導體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的導體中帶電粒子無規(guī)則運動

29、引起的熱噪聲熱噪聲， 光探測過程中光子計數(shù)引起的光探測過程中光子計數(shù)引起的散粒噪聲散粒噪聲等。等。 這些過程是這些過程是隨機過程隨機過程，它既不能預知其精確大小，它既不能預知其精確大小 及規(guī)律。及規(guī)律。 不能完全消除不能完全消除，但可以得知其遵循的統(tǒng)計規(guī)律、，但可以得知其遵循的統(tǒng)計規(guī)律、 也也可以可以通過一些措施予以通過一些措施予以控制控制。 32 噪聲影響對信號特別是噪聲影響對信號特別是微弱信號微弱信號的正確探測。的正確探測。 一個光電探測系統(tǒng)的一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力極限探測能力往往由探測系統(tǒng)往往由探測系統(tǒng) 的噪聲所限制。的噪聲所限制。 所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領域，

30、所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領域， 減小和消除噪聲是十分重要的問題。減小和消除噪聲是十分重要的問題。 33 噪聲的度量噪聲的度量 噪聲是一種噪聲是一種隨機信號隨機信號，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲 落現(xiàn)象。任何一個宏觀測量的物理量都是微觀過程的落現(xiàn)象。任何一個宏觀測量的物理量都是微觀過程的統(tǒng)計平均統(tǒng)計平均 值值。研究噪聲一般采用。研究噪聲一般采用長周期測定其均方值長周期測定其均方值(即噪聲功率即噪聲功率)的方法，的方法， 在數(shù)學上即用隨機量的起伏方差來計算。在數(shù)學上即用隨機量的起伏方差來計算。 對于對于平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)隨機過程，通常采用先計

31、算噪聲電壓，通常采用先計算噪聲電壓(電流電流)的平方值，的平方值， 然后將其對時間作平均，來求噪聲電壓然后將其對時間作平均，來求噪聲電壓(電流電流)的均方值，即：的均方值，即： 上式表示噪聲電壓上式表示噪聲電壓(電流電流)消耗在消耗在1電阻電阻上的平均功率通稱為噪上的平均功率通稱為噪 聲功率。聲功率。 22 )(tuU nn 22 )(tii nn 34 二、噪聲的功率譜密度和相關性二、噪聲的功率譜密度和相關性 噪聲的頻譜分布噪聲的頻譜分布單位頻譜的噪聲功率單位頻譜的噪聲功率 噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率譜密度噪聲功率譜密度Sn(f)在在 頻域積分得到。頻域積分

32、得到。 如果如果Sn(f)與頻率無關，則對于一個具有帶寬與頻率無關，則對于一個具有帶寬f的探測的探測 系統(tǒng)：系統(tǒng)： 白噪聲白噪聲：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布 有色噪聲有色噪聲：1/f噪聲噪聲（紅噪聲），（紅噪聲），藍噪聲藍噪聲 相關性：相關性：完全不相關完全不相關；部分相關部分相關 2 () nn iSff 35 三、光電探測器噪聲三、光電探測器噪聲 在光電探測器中在光電探測器中固有噪聲固有噪聲主要有：主要有： 熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復合噪聲產(chǎn)生復合噪聲(gr噪聲噪聲) 溫度噪聲溫度噪聲 噪聲。噪聲。 f 1 36 1.熱噪聲熱噪聲

33、 1）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機熱運熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機熱運 動引起的。任何一個處于動引起的。任何一個處于熱平衡條件熱平衡條件下的電阻，下的電阻， 即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。 AB兩極間的電阻為兩極間的電阻為R，在絕對溫度，在絕對溫度T時，體內(nèi)時，體內(nèi) 的電子處于不斷的熱運動中，是一團毫無秩序可的電子處于不斷的熱運動中，是一團毫無秩序可 言的電子運動。言的電子運動。 AB S 37 從時間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不從時間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不 會有電流通過會有電流通過A

34、B。但是如果考慮。但是如果考慮流過流過S面的電子數(shù)的面的電子數(shù)的 均方偏差均方偏差，這樣在，這樣在AB兩端就應出現(xiàn)一兩端就應出現(xiàn)一電壓漲落電壓漲落。 2）度量度量 這一電壓漲落直到這一電壓漲落直到1928年才為瓊斯年才為瓊斯(Johnson)的實驗所的實驗所 證實。同時奈奎斯持證實。同時奈奎斯持(Nyquist)推導出推導出熱噪聲功率熱噪聲功率為：為： 式中式中k為玻爾茲曼常量，為玻爾茲曼常量， 為測量帶寬。為測量帶寬。 如用如用噪聲電流噪聲電流表示則為表示則為 fRkTU nJ 4 2 f R fkT i nJ 4 2 38 通常也用通常也用熱噪聲電流熱噪聲電流(電壓電壓)均方根均方根值來進

35、行計算：值來進行計算： 熱噪聲屬于熱噪聲屬于白噪聲頻譜白噪聲頻譜，一般說來，一般說來，高端極限高端極限 頻率頻率為：為： fH015kT1013Hz 在室溫下在室溫下(T290k)， fH61012Hz，一般電子，一般電子 學系統(tǒng)工作頻率遠低于該值，故可認為熱噪聲為學系統(tǒng)工作頻率遠低于該值，故可認為熱噪聲為 白噪聲頻譜。白噪聲頻譜。 2/1 2 4 R fkT inJ 2/ 1 2 4fRkTUnJ 39 例如：室溫條件下例如：室溫條件下R1k的電阻，在的電阻，在 1Hz帶寬帶寬 內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為4nV； 若工作帶寬為若工作帶寬為500kHz的系統(tǒng)，放大器增

36、益為的系統(tǒng)，放大器增益為104，則，則 在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV。 在在微弱信號探測微弱信號探測中，是一個不可忽視的量。中，是一個不可忽視的量。 ？如何減小熱噪聲如何減小熱噪聲光電探測系統(tǒng)的一個重要問題。光電探測系統(tǒng)的一個重要問題。 1 1）熱噪聲功率與探測器工作溫度）熱噪聲功率與探測器工作溫度T的有關的有關制冷制冷。 特別是對一些紅外探測器。特別是對一些紅外探測器。 2 2）同時在滿足信號不失真的條件下，盡量）同時在滿足信號不失真的條件下，盡量縮短工作頻縮短工作頻 帶帶。 f 40 2散粒噪聲散粒噪聲 1）產(chǎn)生原因）產(chǎn)生原因 探測器的散粒噪

37、聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā) 下，下，光電子或光生載流子的隨機產(chǎn)生光電子或光生載流子的隨機產(chǎn)生所造成的。由于隨所造成的。由于隨 機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，所以稱為機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，所以稱為 散粒噪聲。散粒噪聲。 存在于存在于光電子發(fā)射器件光電子發(fā)射器件、光生伏特器件光生伏特器件。 電子管電子管中任一短時間中任一短時間內(nèi)發(fā)射出來的電子決不會總是內(nèi)發(fā)射出來的電子決不會總是 等于平均數(shù)，而是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落圍繞這一平均數(shù)有一漲落。 41 2）度量度量 從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為：

38、從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為： 式中式中e為電子電荷，為電子電荷， 為探測器工作帶寬。為探測器工作帶寬。 在無光照時的暗電流噪聲功率為：在無光照時的暗電流噪聲功率為： 對于由光場作用的光輻射散粒噪聲：對于由光場作用的光輻射散粒噪聲： 式中式中I IP P為光輻射場作用于探測器產(chǎn)生的平均光電流。為光輻射場作用于探測器產(chǎn)生的平均光電流。 3 3）特性特性 散粒噪聲也是散粒噪聲也是白噪聲白噪聲，與頻率無關與頻率無關， 熱噪聲起源于熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性熱平衡條件下電子的粒子性，因而依賴于，因而依賴于kTkT，而，而 散粒噪聲散粒噪聲直接起源于電子的粒子性直接起源于電子的粒子性，因而與，因而與e e直接有關。直接有關。 fIei n 2 2 f feIi dnd 2 2 feIi pnp 2 2 42 3產(chǎn)生產(chǎn)生復合噪聲復合噪聲 1）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 半導體中由于載流子半導體中由于載流子產(chǎn)生與復合的隨機性產(chǎn)生與復合的隨機性而引起的而引起的 平均載流子濃度的起伏平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生復復 合噪聲，亦稱合噪聲，亦稱g- -r噪聲噪聲(generationrecombination noise)。 g- -r噪聲主要存在于光電導探測器中。噪聲主要存在于光電導探測器中