光探測(cè)器噪聲ppt課件

1、光探測(cè)器噪聲光探測(cè)器噪聲郭丹郭丹一、定義：一、定義： 光電探測(cè)器在光電轉(zhuǎn)換時(shí)，要受光電探測(cè)器在光電轉(zhuǎn)換時(shí)，要受 到無用信號(hào)的干擾，稱為光電探測(cè)到無用信號(hào)的干擾，稱為光電探測(cè) 器的噪聲。器的噪聲。噪聲概念噪聲概念探探測(cè)測(cè)器器放放大大器器示波器示波器(a)(b)(c)光光二、噪聲的度量：二、噪聲的度量： 噪聲實(shí)質(zhì)上就是某個(gè)物理量圍繞其噪聲實(shí)質(zhì)上就是某個(gè)物理量圍繞其 平均值的漲落現(xiàn)象。研究噪聲一般采平均值的漲落現(xiàn)象。研究噪聲一般采 用長周期測(cè)定其均方值用長周期測(cè)定其均方值( (即噪聲功率即噪聲功率) ) 的方法。的方法。 我們一般采用先計(jì)算噪聲電壓我們一般采用先計(jì)算噪聲電壓( (電流電流) ) 的平

2、方值，然后將其對(duì)時(shí)間作平均，來的平方值，然后將其對(duì)時(shí)間作平均，來求噪聲電壓求噪聲電壓( (電流電流) )的均方值。的均方值。噪聲功率譜噪聲功率譜N Nf f）：）： 表示噪聲功率隨表示噪聲功率隨 頻率的變化關(guān)系。頻率的變化關(guān)系。 白噪聲白噪聲 1/f1/f噪聲噪聲三、按照噪聲的產(chǎn)生，可分為：三、按照噪聲的產(chǎn)生，可分為：光探測(cè)器中的噪聲光探測(cè)器中的噪聲 依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲主要為散粒噪聲、測(cè)器的噪聲主要為散粒噪聲、1/f噪聲、噪聲、產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲、熱噪聲和溫度噪聲。復(fù)合噪聲、熱噪聲和溫度噪聲。 在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)

3、體中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨(dú)立事件，材料表面等過程，都是一系列獨(dú)立事件，是一種隨機(jī)的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少是一種隨機(jī)的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機(jī)的起伏將載流子是不確定的，所以隨機(jī)的起伏將不可避免地與信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號(hào)不可避免地與信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號(hào)較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性。信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性。 熱噪聲熱噪聲 一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因： 由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的電流或電流或 電壓的隨機(jī)起伏。電壓的隨機(jī)

4、起伏。 這種噪聲存在于任何半導(dǎo)體和導(dǎo)這種噪聲存在于任何半導(dǎo)體和導(dǎo)體中。體中。二、度量：二、度量： 三、特點(diǎn)：三、特點(diǎn)： 熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，因而依賴于子性，因而依賴于kT。 熱噪聲屬于白噪聲。熱噪聲屬于白噪聲。 降低溫度和通帶，可以減少噪聲功率。降低溫度和通帶，可以減少噪聲功率。 散粒噪聲散粒噪聲一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因： 探測(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)器在光探測(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)器在光 輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載 流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起 伏是一個(gè)一個(gè)的帶

5、電粒子或電子引起的，伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的， 所以稱為散粒噪聲。所以稱為散粒噪聲。 這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。二、度量：二、度量： 式中式中q為電子電荷，為電子電荷，I為器件輸出的平均為器件輸出的平均 電流。電流。三、特點(diǎn)：三、特點(diǎn)： 散粒噪聲直接起源于電子的粒子性，散粒噪聲直接起源于電子的粒子性， 因而與因而與e直接有關(guān)。直接有關(guān)。 散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因： 半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的合的 隨機(jī)性而引起的平均載流隨機(jī)性

6、而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲。復(fù)合噪聲。 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲主要存在于光復(fù)合噪聲主要存在于光電導(dǎo)電導(dǎo) 探測(cè)器中。探測(cè)器中。二、度量：二、度量： 式中式中I為總的平均電流，為總的平均電流，N0為自由載流為自由載流 子數(shù)，子數(shù)，f為測(cè)量噪聲的頻率。為測(cè)量噪聲的頻率。 1/f 1/f噪聲噪聲 一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因： 這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻 或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流 過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的 微電爆脈沖。微電爆

7、脈沖。 幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。 它主要出現(xiàn)在大約它主要出現(xiàn)在大約1KHz1KHz以下的低頻頻域，以下的低頻頻域， 而且與光輻射的調(diào)制頻率而且與光輻射的調(diào)制頻率f f成反比，故稱成反比，故稱 為低頻噪聲或?yàn)榈皖l噪聲或1/f 1/f 噪聲。噪聲。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài) ( (缺陷或不均勻等缺陷或不均勻等) )對(duì)這種噪聲的影響很大，對(duì)這種噪聲的影響很大， 這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比。這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比。 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

8、c是比是比例常數(shù)。例常數(shù)。三、特點(diǎn)：三、特點(diǎn)： 主要出現(xiàn)在主要出現(xiàn)在lkHz以下的低頻區(qū)。以下的低頻區(qū)。 一般說，只要限制低頻端的調(diào)制頻率一般說，只要限制低頻端的調(diào)制頻率 不低于不低于1千赫茲，這種噪聲就可以防止。千赫茲，這種噪聲就可以防止。 溫度噪聲溫度噪聲 一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因： 當(dāng)外界環(huán)境中的溫度恒定，在輻射當(dāng)外界環(huán)境中的溫度恒定，在輻射 信號(hào)沒有發(fā)生變化時(shí)，由于器件本身存在信號(hào)沒有發(fā)生變化時(shí)，由于器件本身存在 吸收和傳導(dǎo)等熱交換，這種由溫度起伏引吸收和傳導(dǎo)等熱交換，這種由溫度起伏引 起的熱探測(cè)器輸出起伏稱為溫度噪聲。起的熱探測(cè)器輸出起伏稱為溫度噪聲。二、度量：二、度量： 式中式中 為器件的熱導(dǎo)，為器件的熱導(dǎo)， 為器件的為器件的熱時(shí)間常數(shù)，熱時(shí)間常數(shù)， 為器件的熱容，為器件的熱容，T為周圍為周圍溫度。溫度。 三、特點(diǎn)：三、特點(diǎn)： 溫度噪聲功率與熱導(dǎo)成正比，與