光電探測器的噪聲課件

4.3光電探測器的噪聲4.3光電探測器的噪聲1主要分為:有形噪聲和無規(guī)噪聲

前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏。例如，電阻中自由電子的熱運動，真空臂中電子的隨機發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號。起伏噪聲對有用信號的影響。假定入射光是正弦強度調(diào)制的，放大器是一個可以任意改變放大量的理想放大器。一、噪聲的概念主要分為:有形噪聲和無規(guī)噪聲一、噪聲的概念2當(dāng)入射光強度較大時，在示波器上可以看到正弦變化的信號電壓波形。降低入射光功率時，增大放大率，發(fā)現(xiàn)正弦電壓信號上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏，使正弦信號變得模糊不清(圖(b))。再降低入射光功率時，正弦波幅度越來越小，而雜亂無章的變化愈來愈大。最后只剩下了無規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，這叫做噪聲完全埋沒了信號。當(dāng)然這時探測器也失去了探測弱光信號的能力。探測器放大器示波器(a)(b)(c)光當(dāng)入射光強度較大時，在示波器上可以看到正弦變3從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：上述現(xiàn)象并不是探測器不好所致。它是探測器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個探測器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計學(xué)中稱為隨機起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。從這個意義上說，實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題，這是當(dāng)今信息探測理論研究的中心課題之一。從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：4二、噪聲的描述噪聲電壓隨時間無規(guī)則起伏情況。顯然，無法用預(yù)先確知的時間函數(shù)來描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計獨立的，所以能用統(tǒng)計的方法來描述。長時間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其時間平均值一定為零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)二、噪聲的描述噪聲電壓隨時間無規(guī)則起伏情況。)(tun)5但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對時間的平均值，再開方，就得到所謂方均根噪聲電壓un，即這正是我們用電壓表所測量到的那種有效電壓。雖然噪聲電壓的起伏是毫無規(guī)則，無法預(yù)知的，但其方均根電壓卻具有確定值。這就是噪聲電壓(噪聲電流也一樣)服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。由于產(chǎn)生探測器起伏噪聲的因素往往很多，且這些因素又彼此獨立，所以總的噪聲功率等于各種獨立的噪聲功率之和，即但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對時間的平6為此，把探測器輸出的方均根噪聲電壓(電流)稱為探測器的噪聲電壓(電流)。顯然，探測噪聲的存在，就使得探測器對光信號的探測本領(lǐng)受到一個限制。所以定量估計探測器的噪聲大小就顯得很重要了。由于許多時域問題往往在頻域中討論可能更為方便，方法是付里葉變換。若噪聲電壓為un(t)，則其付里葉變換對為為此，把探測器輸出的方均根噪聲電壓(電流)稱為探測器的噪聲電7成立的條件是un(t)絕對可積，即顯然，無限延續(xù)的噪聲電壓并不能滿足上式。因此，無限延續(xù)的噪聲電壓的幅度付里葉譜不存在。為了克服這個困難，但還要使用付里葉變換的方法，辦法是引入噪聲電壓的自相關(guān)和功率譜。光電探測器的噪聲ppt課件8自相關(guān)定義為：意思是對噪聲電壓進(jìn)行卷積運算并求時間平均值。顯然它滿足絕對可積條件，因而它的變換譜存在，即在自相關(guān)定義中，令t＝0，則)0(g)(tgt0自相關(guān)定義為：)0(g)(tgt09式中表示噪聲電壓平方的平均值，它的物理意義：噪聲電壓消耗在1Ω電阻上的平均功率。同樣，在(3)式中令t＝0，則有：式中使用了的關(guān)系。為了表述得更清楚一些，還可以從(4)式出發(fā)，并令再應(yīng)用付里葉變換對，可以證明：式中表示噪聲電壓平方的平均值，10比較(5)和(6)式，就有或它們是單位頻帶噪聲電壓消耗在1Ω電阻上的平均功率，稱為噪聲電壓的功率譜。實際上，探測器的測量帶寬是有限的，用Δf表示，那么當(dāng)g(f)＝常數(shù)(這種噪聲又稱為白噪聲)時:于是，求噪聲或Vn的問題就轉(zhuǎn)化為求解噪聲功率譜g(f)的問題了.比較(5)和(6)式，就有11三、光電探測器的噪聲源依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。因為在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機的起伏將不可避免地與信號同時出現(xiàn)。尤其在信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準(zhǔn)確性。三、光電探測器的噪聲源依據(jù)噪聲產(chǎn)生的12

按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類噪聲外部原因內(nèi)部原因人為噪聲自然噪聲散粒噪聲產(chǎn)生－復(fù)合噪聲光子噪聲熱噪聲低頻噪聲溫度噪聲放大器噪聲按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類噪聲外部原因內(nèi)部原因131.散粒噪聲：無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。熱激發(fā)散粒方均噪聲電流為其有效值為相應(yīng)的噪聲電壓為如果探測器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以M。光電探測器是依靠內(nèi)場把電子—空穴對分開，空穴對電流貢獻(xiàn)不大，主要是電子貢獻(xiàn)。上兩式也適用于光伏探測器1.散粒噪聲：142.產(chǎn)生－復(fù)合噪聲對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對。電子和空穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個因素，取名為產(chǎn)生—復(fù)合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即M是光電導(dǎo)的內(nèi)增益。2.產(chǎn)生－復(fù)合噪聲153.光子噪聲

以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實際上是光子數(shù)的統(tǒng)計平均值，而每一瞬時到達(dá)探測器的光子數(shù)是隨機的。因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因為這里強調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。它是探測器的極限噪聲，不管是信號光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大。于是我們只要把id用ib和is代替，即可得到光子噪聲的表達(dá)式。3.光子噪聲16即光子散粒噪聲電流這適用于光電發(fā)射和光伏情況，如果有內(nèi)增益，則再乘以M。而光電子產(chǎn)生—復(fù)合噪聲這里ib和is又可用光功率Pb和Ps表示出來考慮到id、ib和is的共同作用，光電探測器的總散粒噪聲可統(tǒng)一表示為即光子散粒噪聲電流17總散粒噪聲可統(tǒng)一表示為S=2(光電發(fā)射和光伏)或S=4(光電導(dǎo))M內(nèi)增益系數(shù)(無內(nèi)增益=1)B(測量帶寬)總散粒噪聲可統(tǒng)一表示為184.熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢。這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機熱激發(fā)的波動而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。可以證明，單個電子的噪聲貢獻(xiàn)為4.熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部19K是波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，m是電子質(zhì)量，τ0為電子的平均碰撞時間。濃度為n，體積V＝Ad的電阻樣品中共有nV個電子，它們產(chǎn)生電流脈沖的個數(shù)等于電子平均碰撞的個數(shù)，由固體物理得知，電阻樣品的電阻值為于是噪聲功率譜為K是波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，m是電子質(zhì)量，20由電阻R的熱噪聲電流為相應(yīng)的熱噪聲電壓為有效噪聲電壓和電流分別為一個電阻R在其噪聲等效電路中，可以等效為電阻R與一個電壓源Un的串聯(lián)，也可以等效為電阻R與一個電流源In相并聯(lián)，如圖所示。VnRInRAdx由VnRInRAdx215.1/f噪聲1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。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)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲。5.1/f噪聲1/f噪聲又稱為閃爍或低頻221/f噪聲的經(jīng)驗規(guī)律為：式中，Kf為與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；α為系數(shù)，它與流過元件的電流有關(guān)，其值通常取2；β為與元件材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，其值在0.8~1.3之間，大部分材料的β值取１；γ與元件阻值有關(guān)，一般在1.4～1.7之間。一般說，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1千赫茲，這種噪聲就可以防止。1/f噪聲的經(jīng)驗規(guī)律為：23６.溫度噪聲它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。在熱探測器件中必須考慮溫度噪聲的影響。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時，由于有溫差ΔT的存在，因而引起材料有熱流量的變化Δφ，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。溫度為T的物體的熱流量噪聲方均值為A為傳熱面積；h為傳熱系數(shù)，其單位為[W/(m2K)]；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為材料溫度；Δf為通帶寬度。６.溫度噪聲它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲24溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：

對于熱噪聲