第二章光電探測器

1、第二章第二章 光電探測器光電探測器 光電檢測器件光電檢測器件 光子探測器光子探測器熱探測器熱探測器 光電發(fā)射探測器 光電導(dǎo)探測器 光伏探測器 測輻射熱 熱釋電 l2.12.1光電探測器的物理基礎(chǔ)光電探測器的物理基礎(chǔ) l2.22.2光電探測器的特性參數(shù)光電探測器的特性參數(shù) l2.3 2.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 l2.42.4光電探測器光電探測器 l2.52.5光電探測器的偏置與放大光電探測器的偏置與放大 2.1 2.1 光電探測器的物理基礎(chǔ)光電探測器的物理基礎(chǔ) l定義定義: :當(dāng)光輻射入射到到當(dāng)光輻射入射到到光電材料光電材料上時上時, ,材材 料料發(fā)射電子發(fā)射電子, ,或其或其電導(dǎo)

2、率發(fā)生變化電導(dǎo)率發(fā)生變化, ,或或產(chǎn)生產(chǎn)生 光電動勢光電動勢等等。 u發(fā)射電子發(fā)射電子: :外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) u電導(dǎo)率發(fā)生變化電導(dǎo)率發(fā)生變化、產(chǎn)生光電動勢產(chǎn)生光電動勢: :內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)。 一、光電效應(yīng) l內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng): :光電材料光電材料受到受到光照后所產(chǎn)生的光光照后所產(chǎn)生的光 電子只在材料內(nèi)部而不會逸出材料外部電子只在材料內(nèi)部而不會逸出材料外部多發(fā)生多發(fā)生 在半導(dǎo)體材料。在半導(dǎo)體材料。 l內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)又分為又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) l光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng): :半導(dǎo)體受光照后半導(dǎo)體受光照后, ,內(nèi)部內(nèi)部產(chǎn)生光生載產(chǎn)生光生載 流子流子,

3、 ,使半導(dǎo)體中使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的的 現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng): : 本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng) 非本征非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 0 / / 1.24 /() 1.24 / g g g g g g hE Eh vc hc Em E hc E E 本征吸收的長波限 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng): : 本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng) 非本征非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 0 / / 1.24 /() 1.24 / g g g g g g hE Eh vc hc Em E hc E E 本征吸收的長波限 半導(dǎo)

4、體可分為半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體.P.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.N.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體: :硅和鍺都是半導(dǎo)體硅和鍺都是半導(dǎo)體, ,而純硅和鍺晶體稱而純硅和鍺晶體稱 本征半導(dǎo)體。硅和鍺為本征半導(dǎo)體。硅和鍺為4 4價元素價元素, ,其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 半導(dǎo)體類型半導(dǎo)體類型 雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成: :通過擴散工藝通過擴散工藝, ,在本征半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中 摻入少量合適的雜質(zhì)元素摻入少量合適的雜質(zhì)元素, ,可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體?？傻玫诫s質(zhì)半導(dǎo)體。 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: :在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）,

5、,使使 之取代晶格中硅原子的位置之取代晶格中硅原子的位置, ,就形成了就形成了N N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: :由于雜質(zhì)原子的最外由于雜質(zhì)原子的最外 層有層有5 5個價電子個價電子, ,所以除了與周圍硅所以除了與周圍硅 原子形成共價鍵外原子形成共價鍵外, ,還多出一個電子。還多出一個電子。 在常溫下在常溫下, ,由于熱激發(fā)由于熱激發(fā), ,就可使它們就可使它們 成為自由電子成為自由電子, ,顯負電性。這顯負電性。這N N是從是從 “NegativeNegative（負）（負）”中取的第一個中取的第一個 字母。字母。 結(jié)論結(jié)論: : N N型半導(dǎo)體的導(dǎo)

6、電特性型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性: :是靠自由電子導(dǎo)電是靠自由電子導(dǎo)電, ,摻入的摻入的 雜質(zhì)越多雜質(zhì)越多, ,多子（自由電子）的濃度就越高多子（自由電子）的濃度就越高, ,導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能 也就越強。也就越強。 l 多子多子: :N N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中, ,自由電子的濃度大于空穴的濃度自由電子的濃度大于空穴的濃度, , 稱為多數(shù)載流子稱為多數(shù)載流子, ,簡稱多子。簡稱多子。 l 少子少子: :空穴為少數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子, ,簡稱少子。簡稱少子。 l 施主原子施主原子: :雜質(zhì)原子可以提供電子雜質(zhì)原子可以提供電子, ,稱施子原子。稱施子原子。 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: :在純凈的在純凈的4

7、4價本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入價本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入 了了3 3價原子價原子, ,譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體, ,使之使之 取代晶格中硅原子的位置取代晶格中硅原子的位置, ,形成形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 u空穴的產(chǎn)生空穴的產(chǎn)生: :由于雜質(zhì)原子的最由于雜質(zhì)原子的最 外層有外層有3 3個價電子個價電子, ,當(dāng)它們與周圍的當(dāng)它們與周圍的 硅原子形成共價鍵時硅原子形成共價鍵時, ,就產(chǎn)生了一就產(chǎn)生了一 個個“空位空位”（空位電中性）（空位電中性）, ,當(dāng)硅當(dāng)硅 原子外層電子由于熱運動填補此空原子外層電子由于熱運動填補此空 位時位時, ,雜

8、質(zhì)原子成為不可移動的負雜質(zhì)原子成為不可移動的負 離子離子, ,同時同時, ,在硅原子的共價鍵中產(chǎn)在硅原子的共價鍵中產(chǎn) 生一個生一個空穴空穴 ,由于少一電子由于少一電子,所以帶所以帶 正電。正電。P P型取型取“PositvePositve（正）（正）”一一 詞的第一個字母。詞的第一個字母。 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 結(jié)論結(jié)論: : 1 1、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。原因原因: :摻入的雜質(zhì)摻入的雜質(zhì) 使多子的數(shù)目大大增加使多子的數(shù)目大大增加, ,使多子與少子復(fù)合的機會大大使多子與少子復(fù)合的機會大大 增多。因此增多。因此, ,對于雜質(zhì)半導(dǎo)體對于雜質(zhì)半導(dǎo)體, ,多子的濃度

9、愈高多子的濃度愈高, ,少子的少子的 濃度就愈低。濃度就愈低。 2 2、少子的濃度決定于溫度。、少子的濃度決定于溫度。原因原因: :少子是本征激發(fā)少子是本征激發(fā) 形成的形成的, ,與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。 多子多子: :P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中, ,多子為空穴。多子為空穴。 少子少子: :為電子。為電子。 受主原子受主原子: :雜質(zhì)原子中的空位吸收電子雜質(zhì)原子中的空位吸收電子, ,稱受主原子。稱受主原子。 l 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng): :光照在半導(dǎo)體光照在半導(dǎo)體P-NP-N結(jié)、結(jié)、P-i-NP-i-N結(jié)、金結(jié)、金 屬屬- -半導(dǎo)體接觸上時半導(dǎo)體接觸上時, ,會在會在PNPN結(jié)、結(jié)、P-i-

10、NP-i-N結(jié)、金屬結(jié)、金屬- -半半 導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢光生電動勢。 l PNPN結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng): :當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PNPN結(jié)結(jié) 時時, ,由于內(nèi)建場的作用（不加外電場）由于內(nèi)建場的作用（不加外電場）, ,光生電子拉光生電子拉 向向N N區(qū)區(qū), ,光生空穴拉向光生空穴拉向P P區(qū)區(qū), ,相當(dāng)于相當(dāng)于PNPN結(jié)上加一個正電結(jié)上加一個正電 壓。壓。 l 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）; ;如將如將PNPN結(jié)短結(jié)短 路路, ,則會出現(xiàn)電流（則會出現(xiàn)電流（光生電流光生電流）。）。 光生伏特效應(yīng)光

11、生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光照光照零偏零偏PNPN結(jié)結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)光電池光電池。 光照光照反偏反偏光電信號是光電流光電信號是光電流結(jié)型光電探測器結(jié)型光電探測器 的工作原理的工作原理光電二極管光電二極管。 光電池的概念 光電池光電池: :是指利是指利 用光生伏特效應(yīng)直用光生伏特效應(yīng)直 接把光能轉(zhuǎn)化成電接把光能轉(zhuǎn)化成電 能的器件能的器件, ,也叫也叫太陽太陽 能電池能電池 光電池驅(qū)動的涼帽光電池驅(qū)動的涼帽 注意注意 光伏效應(yīng)由于是少數(shù)載流子過程光伏效應(yīng)由于是少數(shù)載流子過程, ,少數(shù)載流子壽命少數(shù)載流子壽命 通常短于多數(shù)載流子壽命通常短于多數(shù)載流子壽命,當(dāng)少數(shù)載流

12、子復(fù)合掉時當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合掉時, 光伏信號就終止了。所以響應(yīng)速度比用相同材料制光伏信號就終止了。所以響應(yīng)速度比用相同材料制 作的光電導(dǎo)探測器快。作的光電導(dǎo)探測器快。 常用器件常用器件: : 光電池、光電二極管、光電三極管、光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極雪崩光電二極 管管(APD)(APD)、PINPIN光電二極管光電二極管 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng): : 愛因斯坦方程愛因斯坦方程: : 光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) : :在光照下在光照下, ,物體物體向表面以外空間發(fā)向表面以外空間發(fā) 射電子射電子( (即光電子即光電子) )的現(xiàn)象的現(xiàn)象多發(fā)生于多發(fā)生于金屬和金屬氧

13、金屬和金屬氧 化物化物,光電管中的光陰極。光電管中的光陰極。 截止波長截止波長 EhEk 光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生波長表示波長表示: : )( 24. 1 )( eVE m c 光電發(fā)射體的功函光電發(fā)射體的功函 數(shù)數(shù) 物理意義物理意義: :如果發(fā)射體內(nèi)的電子所如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子能量大于發(fā)射體的吸收的光子能量大于發(fā)射體的 功函數(shù)的值功函數(shù)的值, ,那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器 真空光電管真空光電管: :真空光電管由光電陰極和陽極構(gòu)成真空光電管由光電陰極和陽極構(gòu)成, ,用于響用于響 應(yīng)要求

14、極快的場合應(yīng)要求極快的場合 充氣光電管充氣光電管 光電倍增管光電倍增管, ,應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣,內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng),因而有很高因而有很高 的電流增益的電流增益,能檢測極微弱的光輻射信號能檢測極微弱的光輻射信號。 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器主要是可見光探測器主要是可見光探測器, ,因為對紅外因為對紅外 輻射響應(yīng)的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展輻射響應(yīng)的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展 的負電子親和勢光電陰極的負電子親和勢光電陰極, ,它們的響應(yīng)波長也只擴展到它們的響應(yīng)波長也只擴展到 1 12525m m, ,只適用于近紅外的探測只適用于近紅外的探測, ,因此在

15、紅外系統(tǒng)中應(yīng)因此在紅外系統(tǒng)中應(yīng) 用不多。用不多。 二、光熱效應(yīng) l光熱效應(yīng)光熱效應(yīng): :材料受光照射后材料受光照射后, ,光子能量與晶格相互光子能量與晶格相互 作用作用, ,振動加劇振動加劇, ,溫度升高溫度升高, ,材料的性質(zhì)發(fā)生變化材料的性質(zhì)發(fā)生變化。 （入射光的加熱作用引起物質(zhì)特性變化）（入射光的加熱作用引起物質(zhì)特性變化） u熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng): :介質(zhì)（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等）介質(zhì)（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等） 受光照射溫度升高受光照射溫度升高, ,從而在晶體特定方向上由于自發(fā)極化從而在晶體特定方向上由于自發(fā)極化 強度隨隨溫度變化而引起表面電荷的變化。強度隨隨溫度變化

16、而引起表面電荷的變化。 光輻射強度變化光輻射強度變化晶體溫度變化晶體溫度變化自發(fā)極化強度變化自發(fā)極化強度變化 當(dāng)當(dāng)強度調(diào)制過強度調(diào)制過的光輻射投射到熱釋電晶體上時的光輻射投射到熱釋電晶體上時, ,引起自發(fā)引起自發(fā) 電極化強度隨時間的變化電極化強度隨時間的變化, ,結(jié)果在垂直于極化方向的晶體結(jié)果在垂直于極化方向的晶體 兩個外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號電壓兩個外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號電壓, ,由此可測定所由此可測定所 吸收的光輻射功率吸收的光輻射功率 輻射熱計效應(yīng)（電阻溫度效應(yīng)）輻射熱計效應(yīng)（電阻溫度效應(yīng)）: :入射光的照射使材入射光的照射使材 料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象料由于受熱而造成

17、電阻率變化的現(xiàn)象 u當(dāng)吸收光輻射而溫度升高時當(dāng)吸收光輻射而溫度升高時, ,金屬的電阻會增加金屬的電阻會增加, ,而而 半導(dǎo)體材料的電阻會降低半導(dǎo)體材料的電阻會降低 u從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。利用從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。利用 材料的電阻變化制成的熱探測器就是材料的電阻變化制成的熱探測器就是電阻測輻射熱電阻測輻射熱 計計 u材料的電阻與溫度的關(guān)系可用材料的材料的電阻與溫度的關(guān)系可用材料的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) T T來表征。來表征。 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T 材料溫度從材料溫度從T T改變到了改變到了T+T,T+T,材料的阻值改變量為材料的阻值改變量為: :

18、 R=R=T TRT RT 當(dāng)當(dāng)TT足夠小時足夠小時, ,則有則有: : dR = dR = T T RdT RdT 由此得到由此得到: : T T = = 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T與材料的種類和溫度有關(guān)與材料的種類和溫度有關(guān)。 在室溫下金屬材料的在室溫下金屬材料的T T約為約為0.00330.0033。半導(dǎo)體材料的。半導(dǎo)體材料的 T T值約為值約為-0.033;-0.033;比金屬材料的比金屬材料的T T值大一個數(shù)量級值大一個數(shù)量級 。 dT dR R 1 溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng):由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差而在由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差而在 兩結(jié)兩結(jié) 點間產(chǎn)生點間產(chǎn)生電動勢電動勢,回

19、路中產(chǎn)生電流?；芈分挟a(chǎn)生電流。 當(dāng)兩種不同的當(dāng)兩種不同的配偶材料配偶材料( (金屬或半導(dǎo)體金屬或半導(dǎo)體) )兩端并聯(lián)兩端并聯(lián) 熔按時熔按時, ,如果兩個接頭的溫度不同如果兩個接頭的溫度不同,并聯(lián)回路中并聯(lián)回路中 就產(chǎn)生電動勢就產(chǎn)生電動勢,稱為溫差電動勢稱為溫差電動勢 特點特點 l 所有熱探測器所有熱探測器, ,在理論上對一切波長都具有相同在理論上對一切波長都具有相同 的響應(yīng)的響應(yīng), ,因而因而是非選擇性探測器是非選擇性探測器。這和光子探測。這和光子探測 器在光譜響應(yīng)上的主要區(qū)別。器在光譜響應(yīng)上的主要區(qū)別。 l 熱探測器除低溫測輻射熱器外熱探測器除低溫測輻射熱器外一般無需致冷一般無需致冷。 l

20、熱探測器的熱探測器的響應(yīng)時間比光子探測器長響應(yīng)時間比光子探測器長, ,（取決于（取決于 熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢）熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢） 典型光電探測器的物理效應(yīng)典型光電探測器的物理效應(yīng): : 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng) u溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng) u熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) 三、光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律 光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律: : 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換: :把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程。 光電轉(zhuǎn)換定律 光功率： dt dn hv dt dE tP 光 光電流： dt dn

21、e dt dQ ti 電 二者關(guān)系二者關(guān)系： D D：探測器的光電轉(zhuǎn)換因子：探測器的光電轉(zhuǎn)換因子 tDPti 代入上式中，可得：代入上式中，可得： hv e D )()(tP hv e ti 其中其中 稱為探測器的量子效率稱為探測器的量子效率, ,它表示它表示 探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比,它是它是 探測器物理性質(zhì)的函數(shù)。探測器物理性質(zhì)的函數(shù)。 dt dn dt dn 光電 光電探測器對光電探測器對入射光功率入射光功率有響應(yīng)有響應(yīng), ,響應(yīng)量是響應(yīng)量是光電流光電流。 因此因此, ,一個光子探測器可視為一個電流源。一個光子探測器可視為一個電流源。 因為

22、因為光功率光功率P P正比于光電場的平方正比于光電場的平方, ,故常常把光電探故常常把光電探 測器稱為測器稱為平方律探測器平方律探測器?；蛘哒f?；蛘哒f, ,光電探測器本質(zhì)上光電探測器本質(zhì)上 一個一個非線性器件非線性器件。 基本的光電轉(zhuǎn)換定律基本的光電轉(zhuǎn)換定律: : 2.2 2.2 光電探測光電探測器的特性參數(shù)器的特性參數(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(shè)計進行設(shè)計 的的, ,而探測器的性能由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 一、光電探測器的工作條

23、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(guān)光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān), , 在給出性能參數(shù)時在給出性能參數(shù)時, ,要注明有關(guān)的工作條件要注明有關(guān)的工作條件。這一。這一 點很重要點很重要, ,因為只有這樣因為只有這樣, ,光電探測器才能光電探測器才能互換使用互換使用 。 主要工作條件有主要工作條件有: : 1 1輻射源的輻射源的光譜分布光譜分布 2 2電路的電路的通頻帶和帶寬通頻帶和帶寬 3 3工作溫度工作溫度 4 4光敏面尺寸光敏面尺寸 5 5偏置情況偏置情況 1.1.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）很多光電探測器（特

24、別是光子探測器）, ,其響其響 應(yīng)是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi)應(yīng)是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi) 的輻射有信號輸出的輻射有信號輸出, ,稱為稱為光譜響應(yīng)光譜響應(yīng), ,它決定了探它決定了探 測器探測特定目標的有效程度。在說明探測器測器探測特定目標的有效程度。在說明探測器 的性能時的性能時, ,一般都需要給出測定性能時所用輻一般都需要給出測定性能時所用輻 射源的光譜分布。射源的光譜分布。 如果輻射源是單色輻射如果輻射源是單色輻射, ,則需給出則需給出輻射波長輻射波長。 假如輻射源是黑體假如輻射源是黑體, ,那么要指明那么要指明黑體的溫度黑體的溫度。 當(dāng)輻射經(jīng)過調(diào)制時當(dāng)輻射經(jīng)過調(diào)制時

25、, ,則要說明則要說明調(diào)制頻率調(diào)制頻率。 2.2.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( (后面將詳細后面將詳細 討論討論) )。 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, ,有些有些 噪聲還是頻率的函數(shù)。噪聲還是頻率的函數(shù)。 在描述探測器的性能時在描述探測器的性能時, ,必須明確必須明確通頻帶和帶通頻帶和帶 寬寬。 3.3.工作溫度工作溫度 l 許多探測器許多探測器, ,特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測 器器, ,無論是信號還是噪聲無論是信號還是噪聲, ,都和工作溫度有密切都和工作

26、溫度有密切 關(guān)系關(guān)系, ,所以必須所以必須明確工作溫度明確工作溫度。 l 通用的工作溫度通用的工作溫度是是: : 室溫室溫(295K)(295K) 干冰溫度干冰溫度(195K)(195K) 液氮溫度液氮溫度(77K)(77K) 液氫溫度液氫溫度(20.4K)(20.4K) 液氦溫度液氦溫度(4.2K) (4.2K) 4.4.光敏面尺寸光敏面尺寸 l 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關(guān)都和光敏面積有關(guān), ,大部大部 分探測器的信噪比與分探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 l 參考面積一般為參考面積一般為1cm1cm2 2 5.5.偏置情況偏置情況 l大

27、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 例如例如: :光電導(dǎo)探測器和電阻測輻射熱器需要直流光電導(dǎo)探測器和電阻測輻射熱器需要直流 偏置電源偏置電源 l信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān)信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān), ,因此要因此要說明說明 偏置的情況偏置的情況。 l此外此外, ,對于對于受背景光子噪聲限制受背景光子噪聲限制的探測器的探測器, ,應(yīng)注應(yīng)注 明明光學(xué)視場光學(xué)視場和和背景溫度背景溫度。 l對于對于非密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。 二、特性參數(shù)二、特性參數(shù) l1.1.響應(yīng)率響應(yīng)率( (或稱響應(yīng)度或稱響應(yīng)度) ) l2.2.量子效率量子效率

28、 l3.3.噪聲等效功率噪聲等效功率 l4.4.探測率探測率D D和比探測率和比探測率D D l5.5.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) l6.6.響應(yīng)速度響應(yīng)速度 1.響應(yīng)率響應(yīng)率( (或稱響應(yīng)度或稱響應(yīng)度)Rv)Rv或或R RI I 響應(yīng)率是響應(yīng)率是描述探測器靈敏度描述探測器靈敏度的參量。它表征探測的參量。它表征探測 器器輸出輸出信號信號與與輸入輸入輻射輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為 光電探測器的光電探測器的靈敏度靈敏度 設(shè)光電探測器的輸出電壓為設(shè)光電探測器的輸出電壓為VsVs或電流為或電流為Is,Is,入射到入射到 光電探測器上的光功率光電探測器上的光功率P P R Rv vV Vs

29、sP P R RI Ii is sP P 分別稱為光電探測器的分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)率電壓響應(yīng)率和和電流響應(yīng)率電流響應(yīng)率 測量響應(yīng)率的輻射源一般是測量響應(yīng)率的輻射源一般是500K500K的黑的黑體體 單色靈敏度單色靈敏度和和積分靈敏度積分靈敏度 單色靈敏度單色靈敏度 如果使用波長為如果使用波長為的單色輻射源的單色輻射源, ,則稱為單色響應(yīng)率或則稱為單色響應(yīng)率或單色單色 靈敏度靈敏度, ,又叫又叫光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度, ,用用R R 表示 表示, , 定義定義: :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 單色輻射通量單色輻射通量( (光

30、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()() 為光通量為光通量, ,則則R Rv v的單位為 的單位為V Vlmlm。 () V V s R () s I I R 積分靈敏度積分靈敏度 l 積分靈敏度積分靈敏度表示探測器對各種波長的輻射光表示探測器對各種波長的輻射光連連 續(xù)輻射通量續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的 輻射光源輻射光源, ,總光通量為總光通量為: : l 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

31、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 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 射引起的射引起的, ,所以輸出光電流為所以輸出光電流為: : 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由于采用不同的輻射源, ,甚至具有不同色溫的同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一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同, ,因此提因此提 供數(shù)據(jù)時供數(shù)據(jù)時應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫應(yīng)指明采用的輻射源及其

32、色溫。 00 11 ( )( )( ) ss IIdRd 0 1 0 1 )( )( d dR R 0 1 2.2.量子效率量子效率（） 量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù), ,它是在它是在 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)與與入射光量子入射光量子 數(shù)之比數(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)的輻射通量在此窄帶內(nèi)的輻射通量, ,換算成量子流速率換算成量子流速率N N為為: : 量子流速率量子流速率N

33、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 l 若若I IS S為信號電流為信號電流,e,e為電子電荷為電子電荷, , l 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為: : l 量子效率為量子效率為: : 討論討論 l 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; ; l 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。 l 對于對于有增益的光電探測器有增益的光電探測器( (如光電倍增管等如光電倍增管等)

34、 ), ,會遠大會遠大 于于1 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 l從響應(yīng)度的定義來看從響應(yīng)度的定義來看, ,好象只要有光輻射存在好象只要有光輻射存在, ,不管不管 它的功率如何小它的功率如何小, ,都可探測出來。但當(dāng)都可探測出來。但當(dāng)入射功率很低入射功率很低 時時, ,輸出只是些雜亂無章的變化信號輸出只是些雜亂無章的變化信號, ,而無法肯定是否而無法肯定是否 有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起 的的, ,

35、而是它所而是它所固有的固有的“噪聲噪聲”引起的。引起的。 l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 值值, ,則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, ,這這 個均方根電壓個均方根電壓( (流流) )稱為稱為探測器的噪聲電壓探測器的噪聲電壓( (流流) )。 3.3.噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP) （最小可探測功率（最小可探測功率P Pmin min） ） 信噪比信噪比(S(SN)N) 1 1）作用）作用: :判定噪聲大小。判定噪聲大小。 2 2）表示）表示: :在負載電阻在負載電

36、阻R RL L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)(dB)表示表示: : 3 3）注意）注意 利用利用S SN N評價兩種光電探測器性能時評價兩種光電探測器性能時, ,必須在信號輻射功率相必須在信號輻射功率相 同的情況下同的情況下才能比較。才能比較。 對單個光電探測器對單個光電探測器, ,其其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(guān)。如果入射輻射強面積有關(guān)。如果入射輻射強, ,接收面積大接收面積大, ,S/NS/N就大就大, ,但性能不一但性能不一 定就好。因此用定就好。因此用S/NS/N評價器件有一定的

37、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 噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP) 定義定義: :信號功率與噪聲功率之比為信號功率與噪聲功率之比為1(1(即即S SN N1)1)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NEPNEP約為約為1010-11 -11W W。 。NEPNEP越小越小 , ,噪聲越小噪聲越小, ,器件的性能越好器件的性能越好 應(yīng)指明測

38、量條件應(yīng)指明測量條件, ,如如光譜分布光譜分布、頻率、溫度等頻率、溫度等 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 / 舉例:光纖通信、衛(wèi)星之間通信 4 4探測率探測率D D與比探測率與比探測率D D* * l只用只用NEPNEP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。引的優(yōu)劣。引 入兩個新的性能參數(shù)入兩個新的性能參數(shù)探測率探測率D D和比探測率和比探測率D D* * 探測率探測率D D定義為定義為NEPNEP的倒數(shù)的倒數(shù), ,即即 l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產(chǎn)光電探測器在它的噪聲電平之上

39、產(chǎn) 生一個可觀測的電信號的本領(lǐng)生一個可觀測的電信號的本領(lǐng), ,即光電探測器能響應(yīng)即光電探測器能響應(yīng) 的入射光功率越小的入射光功率越小, ,則其探測率越高。則其探測率越高。 l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(guān)。有關(guān)。 /1 N Vs V D NEP 2 2）比探測率比探測率D 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 V VN N除以除以 , ,則則D D就與就與A Ad d和帶寬無關(guān)了。也就是和帶寬無關(guān)了。也就是 歸一化到歸一化到測量帶寬為測量帶寬為1Hz1Hz、光探測器、光探測器光敏面積為

40、光敏面積為1cm1cm2 2 。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率, ,通常用通常用D D* * 記之。根據(jù)定義記之。根據(jù)定義, ,D D* *的表達式為的表達式為: : fAd )( 1 2 1 WHzcm / * SN d VV DAf 5.5.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 1 1）定義）定義: : 不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時, ,探測器的探測器的 響應(yīng)率響應(yīng)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 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

41、值波長 3 3）光子探測器光子探測器的光譜響應(yīng)的光譜響應(yīng) 與波長有關(guān)與波長有關(guān), ,截止波長截止波長 4 4）熱探測器熱探測器的光譜響應(yīng)的光譜響應(yīng) 與與波長無關(guān)波長無關(guān), ,與輻射功率有關(guān)。與輻射功率有關(guān)。 6 6. .響應(yīng)速度響應(yīng)速度 1 1）響應(yīng)時間是描述光電探測器對）響應(yīng)時間是描述光電探測器對 入射輻射入射輻射響應(yīng)快慢響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。的一個參數(shù)。 2 2）當(dāng)入射輻射到光電探測器后或）當(dāng)入射輻射到光電探測器后或 入射輻射遮斷后入射輻射遮斷后, ,光電探測器的光電探測器的輸輸 出上升到穩(wěn)定值出上升到穩(wěn)定值或或下降到照射前的下降到照射前的 值值所需時間稱為響應(yīng)時間。常用所需時間稱為響應(yīng)時間

42、。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(dāng)用一個輻射脈沖照射光電探測器當(dāng)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如果這個脈沖的上升和下降時間 很短很短, ,如方波如方波, ,則光電探測器的輸出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而有延遲, ,把從把從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。 502021/2/6 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) l入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較

43、大的影響。入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較大的影響。 光電探測器的響應(yīng)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(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻頻 率響應(yīng)率響應(yīng)。對光子探測器。對光子探測器, ,其頻率響應(yīng)特性相當(dāng)于低通濾波器其頻率響應(yīng)特性相當(dāng)于低通濾波器, ,探探 測器響應(yīng)率測器響應(yīng)率: : l 為頻率是為頻率是 時的響應(yīng)度時的響應(yīng)度; ; lR R0 0為頻率是零時的響應(yīng)度為頻率是零時的響應(yīng)度; l為探測器響應(yīng)時間。為探測器響應(yīng)時間。 l當(dāng)當(dāng) 時時, ,可得放大器可得放大器 的的上限截止頻率上限截止頻率 l顯然顯然, ,時間常數(shù)時間常數(shù)決定了光電探?jīng)Q定了光電探 測器

44、頻率響應(yīng)的帶寬。測器頻率響應(yīng)的帶寬。 2 1 2 0 )2(1 )( f R fR )( fRf 707.0 2 1)( 0 R fR 1 2 f 上 512021/2/6 lf1/2,R(f)與與f成反比成反比 lF1/2,R(f)與與f 無關(guān)。無關(guān)。 l一般光子探測器的時間常量一般光子探測器的時間常量很小很小,可達微可達微 秒甚至納秒量級秒甚至納秒量級,所以在很寬頻率范圍內(nèi)所以在很寬頻率范圍內(nèi) 頻率響應(yīng)曲線是平坦的。頻率響應(yīng)曲線是平坦的。 l對于熱探測器對于熱探測器,R(f)與與f關(guān)系也可用上式關(guān)系也可用上式,不不 過熱探測器的時間常量很大過熱探測器的時間常量很大,因此頻響曲因此頻響曲 線

45、的平坦范圍很窄（一般為幾十線的平坦范圍很窄（一般為幾十Hz） 522021/2/6 l其他注意問題其他注意問題 u響應(yīng)率、比探測率和探測器噪聲隨探測溫度變響應(yīng)率、比探測率和探測器噪聲隨探測溫度變 化化 u探測器的噪聲電壓隨調(diào)制頻率變化探測器的噪聲電壓隨調(diào)制頻率變化 u探測器的阻抗及其隨溫度的變化探測器的阻抗及其隨溫度的變化 u探測器的最佳偏置條件探測器的最佳偏置條件 532021/2/6 例例: :已知某探測器的面積為已知某探測器的面積為3 34cm4cm2 2,D,D* *=10=1011 11cmHz cmHz1/2 1/2w w- - 1 1, ,光電儀器的帶寬為 光電儀器的帶寬為300

46、Hz300Hz, ,該儀器所能探測的光輻射該儀器所能探測的光輻射 的的最小輻射功率最小輻射功率? ? 解解: :由由D D* *的定義的定義: : 當(dāng)當(dāng)Vs/VVs/VN N=1=1時時, ,得到最小探測功率得到最小探測功率, , 所以所以: : 其中其中: :A Ad d=3=34cm4cm2 2, ,D D* *=10=1011 11cmHz cmHz1/2 1/2w w-1-1, , =300Hz=300Hz 代入代入, ,得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率 min min=6 =61010-10 -10W W / * SN d VV DAf m

47、in 1 * d DAf 2.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 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的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外, ,還配有電子學(xué)系統(tǒng)還配有電子學(xué)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(xué)系統(tǒng)。因此、光學(xué)系統(tǒng)。因此, ,系統(tǒng)在系統(tǒng)在 工作時工作時, ,總會受到一些無用信號的干擾總會受到一些無用信號的干擾, ,這些非信號的這些非信號的 成分統(tǒng)稱為噪聲。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

48、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。引入的干擾等。 一、光電系統(tǒng)中的噪聲一、光電系統(tǒng)中的噪聲 廣義上講廣義上講, ,任何疊加在信號上的不希望的隨機擾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)(1)來自被研究系統(tǒng)的來自被研究系統(tǒng)的外部外部 (2)(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

49、 562021/2/6 (1)(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通常由電、磁、機械、雜散光等因素所引起, ,這這 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 z50H z干擾干擾; ; 工業(yè)設(shè)備電火花干擾工業(yè)設(shè)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(dāng)?shù)拇胧┎扇∵m當(dāng)?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。 (2)(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、器件或固有的物來自

50、被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物 理過程的理過程的自然擾動自然擾動。 例如例如: : 導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的熱噪聲熱噪聲 這些過程是這些過程是隨機過程隨機過程, ,它既不能預(yù)知其精確大小及它既不能預(yù)知其精確大小及 規(guī)律。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。 l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。 l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

51、制。的噪聲所限制。 l所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領(lǐng)域所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領(lǐng)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。 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) )的方的方 法法, ,在數(shù)學(xué)上即用隨機量的起伏方差來計算。在數(shù)學(xué)上

52、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然后將其對時間作平均, ,來求噪聲電壓來求噪聲電壓( (電流電流) )的均方值的均方值, ,即即: : 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11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 二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性 l噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）單位頻譜單位

53、頻譜 的噪聲功率的噪聲功率S Sn n( (f f) ) l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S Sn n( (f f) ) 在頻域積分得到。在頻域積分得到。 l如果如果S Sn n( (f f) )與頻率無關(guān)與頻率無關(guān), ,則對于一個具有帶寬則對于一個具有帶寬f f的探的探 測系統(tǒng)測系統(tǒng): : 2 () nn iSff 一般從一般從S Sn n( (f f) )分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑 制噪聲制噪聲 l白噪聲白噪聲: :平坦頻率特性平坦頻率特性, ,噪聲特性為正態(tài)高斯分布噪聲特性為正態(tài)高斯分布 l有

54、色噪聲有色噪聲: : u1/f1/f噪聲噪聲（紅噪聲）（紅噪聲）, , S Sn n( (f f) 1/f,) 1/f,低頻噪聲低頻噪聲 u藍噪聲藍噪聲, , S Sn n( (f f) f) f2 2, ,高頻噪聲高頻噪聲 注意注意: : 減小探測器和探測系統(tǒng)的噪聲減小探測器和探測系統(tǒng)的噪聲: : 一是噪聲功率譜密度一是噪聲功率譜密度S Sn n( (f f) )要小要小 二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬, ,只要保證不影響信號的特征只要保證不影響信號的特征 頻率即可。頻率即可。 噪聲的相關(guān)性 噪聲在不同時刻的取值是隨機的噪聲在不同時刻的取值是隨機的, ,兩個不同噪兩個不同噪 聲

55、仍然存在一定的關(guān)系。聲仍然存在一定的關(guān)系。 u不相關(guān)的噪聲源不相關(guān)的噪聲源 u相關(guān)時引入相關(guān)系數(shù)相關(guān)時引入相關(guān)系數(shù) u在大多數(shù)情況下在大多數(shù)情況下, ,探測器和探測系統(tǒng)中各個探測器和探測系統(tǒng)中各個 噪聲源基本是彼此獨立的噪聲源基本是彼此獨立的 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(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲(g(gr r噪聲噪聲) ) 溫度噪聲溫度噪聲 噪聲。噪聲。 f 1 1.1.熱噪聲熱噪聲 1 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

56、 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, , 即使沒有外加電壓即使沒有外加電壓, ,也都有一定量的噪聲。也都有一定量的噪聲。 ABAB兩極間的電阻為兩極間的電阻為R R, ,在絕對溫度在絕對溫度T T時時, ,體內(nèi)的電體內(nèi)的電 子處于不斷的熱運動中子處于不斷的熱運動中, ,是一團毫無秩序可言的是一團毫無秩序可言的 電子運動。電子運動。 A AB B S S l 從時間平均來說從時間平均來說, ,這兩種方向的電子數(shù)一定相等這兩種方向的電子數(shù)一定相等, ,不會不會 有電流通過有電流通過ABAB。但是如果考慮。但是如果考慮流過流過S S面的電子數(shù)的均面的電

57、子數(shù)的均 方偏差方偏差, ,這樣在這樣在ABAB兩端就應(yīng)出現(xiàn)一兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落電壓漲落。 2 2）度量度量 l 這一電壓漲落直到這一電壓漲落直到19281928年才為瓊斯年才為瓊斯(Johnson)(Johnson)的實驗的實驗 所證實。同時奈奎斯持所證實。同時奈奎斯持(Nyquist)(Nyquist)推導(dǎo)出推導(dǎo)出熱噪聲功率熱噪聲功率 為為: : 式中式中k 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。 l 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 l通常也用通常也用熱噪聲電流熱噪聲電流( (電壓電壓) )均

58、方根均方根值來進行計值來進行計 算算: : l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, ,高端極限頻高端極限頻 率率為為: : f fH H0 015kT15kT101013 13Hz Hz 在室溫下在室溫下(T(T290k)290k), , f fH H6 6101012 12Hz Hz, ,一般電子一般電子 學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠低于該值學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠低于該值, ,故可認為熱噪聲為故可認為熱噪聲為 白噪聲頻譜。白噪聲頻譜。 2/1 2 4 R fkT inJ 2/ 1 2 4fRkTUnJ l例如例如: :室溫條件下室溫條件下R R1k1k的電阻的電阻, ,在在 1Hz

59、1Hz帶寬內(nèi)帶寬內(nèi) 的均方根熱噪聲電壓值約為的均方根熱噪聲電壓值約為4nV;4nV; l若工作帶寬為若工作帶寬為500kHz500kHz的系統(tǒng)的系統(tǒng), ,放大器增益為放大器增益為10104 4, ,則在則在 放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV28mV。 l在在微弱信號探測微弱信號探測中中, ,是一個不可忽視的量。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 T的有關(guān)的有關(guān)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

60、。 2 2）同時在滿足信號不失真的條件下）同時在滿足信號不失真的條件下, ,盡量盡量縮短工作頻縮短工作頻 帶帶。 f 2 2散粒噪聲散粒噪聲 1 1）產(chǎn)生原因）產(chǎn)生原因 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)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機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的, ,所以稱為所以稱為 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。 電子管中任一短時間電子管中任一短時間內(nèi)發(fā)