光电子技术Chapter4_1.pdf

1 光源光源 传输传输 调制调制 探测探测 2 第四章 光辐射的探测技术 3 光辐射的探测过程是光探测器把光辐射转换成另一种便于测光辐射的探测过程是光探测器把光辐射转换成另一种便于测量的量的过程量的量的过程。在探测过程中在探测过程中，光探测器的作用是发现信号光探测器的作用是发现信号、测量信号测量信号，并为随后的应用提取某些必需的信息并为随后的应用提取某些必需的信息 1.光辐射探测技术概述 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 从近代测量技术来看从近代测量技术来看，探测探测电量是最方便电量是最方便、最精确的最精确的.大多大多数光探测器都是直接或间接地把光辐射能量转换成电量来实数光探测器都是直接或间接地把光辐射能量转换成电量来实现对光辐射的探测现对光辐射的探测。光电系统广泛应用于通信光电系统广泛应用于通信、雷达雷达、测距测距、定位定位、制导制导、遥感遥感、工业生产和科学研究等领域工业生产和科学研究等领域。4 光电发射效应光电发射效应 光电导效应光电导效应 光伏效应光伏效应 温差电效应温差电效应 热释电效应热释电效应 2.光辐射探测的物理效应 5 光探测器的物理效应分为光探测器的物理效应分为光子效应光子效应和和光热效应光热效应两大类。两大类。光电效应是单个光子与电子直接作用的一类物理效应光电效应是单个光子与电子直接作用的一类物理效应。探测探测器吸收光子后器吸收光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变直接引起原子或分子内部电子状态的改变。（束缚态变激发态束缚态变激发态）（1 1）光子效应）光子效应 光电效应可分为光电效应可分为内光电效应和外光电效应内光电效应和外光电效应。2.光子效应与光热效应 特点：特点：光子效应对光波频率表现出选择性光子效应对光波频率表现出选择性，且响应速度快且响应速度快。对于内光电效应，入射光子激发的载流子仍保留在材料内部，对于内光电效应，入射光子激发的载流子仍保留在材料内部，而外光电效应是入射光子引起材料表面发射光电子，亦称为而外光电效应是入射光子引起材料表面发射光电子，亦称为光光电子发射效应电子发射效应。6 光热效应与光电效应不同光热效应与光电效应不同，材料吸收光能量后不直接产生内材料吸收光能量后不直接产生内部电子态的改变部电子态的改变，而是先引起材料的温度升高而是先引起材料的温度升高,温度升高使探温度升高使探测元件的电学或其他物理性质发生变化测元件的电学或其他物理性质发生变化，这种现象称为这种现象称为光热光热效应效应。(2)(2)光热效应光热效应 材料温度升高 物理性质发生变化 输出信号 常用的光热效应有温差电效应常用的光热效应有温差电效应、热释电效应热释电效应、热电导效应等热电导效应等，利用其中一种效应就可以制出一类热探测器利用其中一种效应就可以制出一类热探测器。特点：特点：光子效应对光波频率没有选择性光子效应对光波频率没有选择性，但响应速度比较慢但响应速度比较慢。7 光照射在某些材料表面上时光照射在某些材料表面上时，如果光子能量如果光子能量hv足够大足够大，就能就能够使表面发射出电子够使表面发射出电子。这一现象叫做这一现象叫做光电子发射光电子发射，又叫做又叫做外外光电效应光电效应。光电发射效应的能量关系由爱因斯坦方程描述光电发射效应的能量关系由爱因斯坦方程描述，即即 EhvEk=Ek：光电子离开发射体表面的动能；：光电子离开发射体表面的动能；hv：光子能量；：光子能量；E 是光是光电发射体的功函数电发射体的功函数。3.光电子发射效应 物理意义物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量：如果发射体内的电子所吸收的光子能量hv大于发大于发射体的功函数射体的功函数E ，那么电子就能从发射体表面逸出那么电子就能从发射体表面逸出，并且具并且具有相应的动能有相应的动能。8)()(24.1meVEc=利用光电子发射效应制成的探测器称为光电子发射器件，利用光电子发射效应制成的探测器称为光电子发射器件，光电光电倍增管倍增管就是典型的光电子发射器件。就是典型的光电子发射器件。截止波长：截止波长：当光照射半导体材料时，由于对光子的吸收，有些电子和空当光照射半导体材料时，由于对光子的吸收，有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由态，材料中穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由态，材料中的载流子浓度增加，从而使材料的电导率增大，这种效应叫的载流子浓度增加，从而使材料的电导率增大，这种效应叫做做光电导效应光电导效应。4.光电导效应 eVEg m)(eVEg m)(单位ggEEhc24.10=光电导要求是光电导要求是hv Eg 长波限为长波限为:Eg 本征光电导效应本征光电导效应 导带导带 价带价带 光照射半导体，如果光波长满足要求,光子将在半导体中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度增加了。这个新增加的部分我们称之为光生载流子。显然,光生载流子将使半导体的电导增加一个量,我们称之为光电导。光照光照光生载流子（自由电子光生载流子（自由电子、空穴）空穴）电导率增加电导率增加 例如，本征硅（Si）能带间隙为1.12eV,c=1.1m。heVEn m)(eVEn m)(单位nnEEhc24.10=光电导要求是光电导要求是hv En 长波限为长波限为:En N型半导体光电效应型半导体光电效应 对N型半导体来说，其施主能带离导带很近，所以施主能带中的电子很容易从光子获得足够的能量进入导带而参与导电 导带导带 价带价带 施主能级施主能级 heVE m)(eVE m)(p p单位ppEEhc24.10=光电导要求是光电导要求是hv Ep 长波限为长波限为:Ep P型半导体光电导型半导体光电导 对于P型半导体来说，由于其受主能带靠近价带，所以价带中的电子很容易从光子吸收能量而跃入受主能带，使价带产生空穴参与导电。导带导带 价带价带 受主能级受主能级 5.光伏效应 由于半导体pn结区两边载流子浓度不一致，便引发载流子扩散，扩散的结果在结区形成一个内建电场。内建电场将阻止电子继续向p区扩散，阻止空穴继续向n区扩散，最后使载流子的扩散运动和漂移运动相抵消而达到平衡状态 PN结的形成结的形成 N P 耗尽层耗尽层 XN XP N P 假设光照p区，只要光子能量大于材料的能带间隙Eg，半导体材料将吸收光子而产生光电子和空穴。光生空穴对p区空穴浓度影响很小。而光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进入pn结。就被内电场扫向n区。光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向n区。在n区和p区两端产生了光生电动势。这种现象称为光伏效应光伏效应。14 当把当把A、B两种不同的金属或半导体联结成一个闭合回路时两种不同的金属或半导体联结成一个闭合回路时，如果两个接头处的温度如果两个接头处的温度T1和和T2不同不同，那么那么，这两个接头之这两个接头之间就会产生电动势间就会产生电动势（称为称为温差电动势温差电动势）。在回路中就会产生电流在回路中就会产生电流（称为称为温差电温差电流流），这个回路称为这个回路称为热电偶或温差电热电偶或温差电池池。这个效应称为这个效应称为温差电效应温差电效应。是德是德国物理学家塞贝克国物理学家塞贝克（T.J.Seebeck，17701831）于于1821年发现的年发现的,因此因此又称为塞贝克效应又称为塞贝克效应。6.温差电效应 15 如果把回路的一端分开并与一个电表连接如果把回路的一端分开并与一个电表连接，如图如图（b）所示所示。当光照熔接端当光照熔接端(称为电偶接头称为电偶接头)时时，电偶接头吸收光能温度升电偶接头吸收光能温度升高高，电表就有相应的电流读数电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了电流的数值就间接反映了光照能量大小光照能量大小。这就是用温差电效应探测光辐射的原理这就是用温差电效应探测光辐射的原理。16 热释电效应是热电晶体在温度变化时产生的一种现象热释电效应是热电晶体在温度变化时产生的一种现象。Ps s 7.热释电效应 在非中心对称结构的极性晶体中在非中心对称结构的极性晶体中，即使在无外电场和应力的条即使在无外电场和应力的条件下件下，本身也会产生自发电极化本身也会产生自发电极化。由于自发极化由于自发极化，在垂直于电在垂直于电极化矢量极化矢量Ps的晶体表面上出现面束缚电荷的晶体表面上出现面束缚电荷，面电荷密度面电荷密度 s|Ps|。热电体的热电体的|Ps|决定了面电荷密度决定了面电荷密度 s的大小的大小，当当|Ps|发生变化时发生变化时，面电荷密度面电荷密度 s也跟着变化也跟着变化。17 自发电极化强度自发电极化强度Ps是温度是温度T的函数的函数。温度升高温度升高，极化强度下降极化强度下降。当温度升高到了某一温度当温度升高到了某一温度Tc值时值时，自发极化突然消失自发极化突然消失，Tc称称为居里温度为居里温度。平时这些极化面束缚电荷常常被晶体内部和外来的自由电荷平时这些极化面束缚电荷常常被晶体内部和外来的自由电荷所中和所中和，因此晶体不显示出外电场因此晶体不显示出外电场。当强度变化的光照射热电晶体时当强度变化的光照射热电晶体时，晶体晶体的温度发生变化的温度发生变化，Ps亦发生变化亦发生变化，面电面电荷荷 s也跟着发生变化也跟着发生变化。不同材料有不同的居里温度不同材料有不同的居里温度。具有这种性质的晶体称为具有这种性质的晶体称为热电热电晶体晶体。18 热电晶体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢热电晶体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，而晶体自发极化的驰豫时间很短而晶体自发极化的驰豫时间很短，约约1012s。由于自由电荷由于自由电荷来不及中和来不及中和，晶体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷晶体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化变化，这就是这就是热释电效应热释电效应。通过测量束缚电荷的变化可测量光辐射的能量通过测量束缚电荷的变化可测量光辐射的能量，这就是利用热这就是利用热释电效应探测光辐射的原理释电效应探测光辐射的原理。热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不不像其他热探测需要有个热平衡过程像其他热探测需要有个热平衡过程，所以其响应速度比其他热所以其响应速度比其他热探测器快得多探测器快得多，是一种交流或瞬时响应器件是一种交流或瞬时响应器件。ssdPdPdTdTiAAAdtdTdtdt=sdPdT=为热释电系数为热释电系数 19 光子效应和光热效应在作用机理上的差异光子效应和光热效应在作用机理上的差异 光光子子效应效应是单个光子与电子直接作用的一类物理效应是单个光子与电子直接作用的一类物理效应。当具当具有足够能量的光子入射到光电材料上时有足够能量的光子入射到光电材料上时，原子或分子中的束原子或分子中的束缚态的电子吸收光子能量后跃迁缚态的电子吸收光子能量后跃迁，变为自由态变为自由态。光热效应光热效应与光电效应不同与光电效应不同，材料吸收光能量后不直接产生内材料吸收光能量后不直接产生内部电子态的改变部电子态的改变，而是先引起材料的温度升高而是先引起材料的温度升高,伴随着温升材伴随着温升材料的某种物理性质发生变化料的某种物理性质发生变化，这种现象称为光热效应这种现象称为光热效应。20 光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换光电转换()dtdnhvdtdEtP光=()dtdnedtdQti电=()()tDPti=D探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子 8.光电转换定律 21 dtdndtdn光电=hveD=探测器的量子效率探测器的量子效率)()(tPhveti=*光功率光功率P正比于光电场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件(本质本质)。*光电探测器对入射功率响应光电探测器对入射功率响应(光电流光电流)一个光子探测器可视为一个电流源。一个光子探测器可视为一个电流源。光电转换定律：光电转换定律：22 积分灵敏度 光谱灵敏度 频率灵敏度 量子效率 噪声等效功率NEP 归一化探测率D*4.2 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 23 idiiRdPP=uduuRdPP=光电流光电流i(或光电压或光电压u)和入射光功率和入射光功率P之间的关系之间的关系if(P)，称，称为探测器的为探测器的光电特性光电特性。灵敏度灵敏度R定义为光电特性曲线的斜率，即定义为光电特性曲线的斜率，即 (线性区内线性区内)(A/W)(线性区内线性区内)(V/W)R i和和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和和u均均为为电表测量的电流、电压有效值。电表测量的电流、电压有效值。光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。是指分布在某一光谱范围内的总功率。1.积分灵敏度 24 光功率谱密度光功率谱密度P由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为i，于是，于是光谱灵敏度光谱灵敏度R定义为定义为 R是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测如光热探测器器)，光子探测器则是选择性探测器。，光子探测器则是选择性探测器。通常给出的是通常给出的是相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度S定义为定义为 Rm为为R的最大值，的最大值，S随随变化的曲线称为变化的曲线称为光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线。/mSRR=2.光谱灵敏度 25 引入相对光谱功率密度函数，它的定义为引入相对光谱功率密度函数，它的定义为 mPfP=dPdP=didi=ddfPRSdimm=00000 =mmmmidiS R Pf ddS f dR d Pf df d=注意到注意到 可得可得 积分上式，有积分上式，有 26 001/mmf dP dP PP=dRRmim=KRKdRPiRimm=00dfdfSK又又 可得可得 式中式中 称为称为光谱匹配系数光谱匹配系数，为入射光，为入射光功率能被响应的百分比。功率能被响应的百分比。式中式中 27 若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流i if f将随将随调频调频f f的升高而下降，这时的灵敏度称为的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度频率灵敏度R Rf f，PiRff=20)2(1fiiff+=定义为定义为 if是光电流时变函数的付里叶变换，通常是光电流时变函数的付里叶变换，通常 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。路决定。3.频率灵敏度 28 频率灵敏度频率灵敏度 20)2(1fRRf+=00707.02/RR=21=cfR f随随f 升高而下降的速度与升高而下降的速度与值大小关系很大。值大小关系很大。一般规定，一般规定，R f下降到下降到 当当ffc时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。的变化。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。频率频率fc为探测器的为探测器的截止响应频率截止响应频率和和响应频率响应频率。29 探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值与这一辐射功率相应的稳定值i i。21=cf(,)iF u Pf=当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。到零。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由 决定。决定。光电流是两端电压光电流是两端电压u、光功率光功率P、光波长、光波长和光强调制频和光强调制频率率f的函数，即的函数，即 30 以以u u，P P，为参变量，为参变量，i iF F（f f）的关系称为）的关系称为光电频率光电频率特性特性，相应的曲线称为，相应的曲线称为频率特性曲线频率特性曲线。同样，同样，i=F(P)及曲线称为及曲线称为光电特性曲线光电特性曲线。iF()及其曲线称为及其曲线称为光谱特性曲线光谱特性曲线。iF(u)及其曲线称为及其曲线称为伏安特性曲线伏安特性曲线。当这些曲线给出时，灵敏度当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。测器的使用电路。31 量子效率量子效率：在某一特定波长上，产生的光电子数与入射光量：在某一特定波长上，产生的光电子数与入射光量子数之比。子数之比。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1 实际上，实际上，1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。4.量子效率 32 如果说灵敏度如果说灵敏度R R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，那么量子效率光谱以及频率特性，那么量子效率则是对同一个问题则是对同一个问题的微观的微观宏观描述。宏观描述。iReh=iRehc=量子效率和灵敏度关系量子效率和灵敏度关系 对某一波长来说，其光谱量子效率对某一波长来说，其光谱量子效率：量子效率正比于灵敏度而反比于波长。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。iReh=dtdndtdn光电=)()(tPhveti=33 由灵敏度由灵敏度R的定义式的定义式 2/12)(nnii=如果如果P0，应有，应有i=0 实际情况是，当实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流并不为零。时，光电探测器的输出电流并不为零。这个电流称为这个电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流，记为，记为 灵敏度灵敏度R巳失去意义，需要定义一个新参量来描述光电探测巳失去意义，需要定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性。器的这种特性。5.通量阈和噪声等效功率 idiiRdPP=瞬时噪声电流的有效值瞬时噪声电流的有效值 34 光功率光功率P Ps s和和P Pb b分别为信号和背景光功率。即使分别为信号和背景光功率。即使P Ps s和和P Pb b都为都为零，也会有噪声输出。零，也会有噪声输出。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流i is s等于噪等于噪声电流声电流i in n，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。光电效应sinisPbP内部噪声信号加噪声电流增益放大器过程输出依照这一判据，定义探测器的通量阈依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为为 nthiiPR=通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。35 nsii=SNRnsuu=SNR(电压信噪比电压信噪比)噪声等效功率噪声等效功率NEP 定义为单位信噪比时的信号光功率。定义为单位信噪比时的信号光功率。(电流信噪比电流信噪比)于是有于是有 1)SNR(NEP=isissnisssinthPSNRPiiRiiiRiPNEP越小，探测微弱信号的能力越强。越小，探测微弱信号的能力越强。噪比噪比SNR定义为定义为 36 11 ()NEPDW=NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越越大越好好”的习惯，于是取的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度的倒数并定义为探测度D，即，即 D 值大的探测器就表明其探测力高。值大的探测器就表明其探测力高。常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D D值大的探测器其探测能力一定好值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。的结论并不充分。主要是探测器光敏面积主要是探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽f对对D值影响甚大。值影响甚大。6.归一化探测度D*37 探测器的噪声功率探测器的噪声功率N N ff，所以，所以 )(fin21)(fD21)(Ain21)(AD于是由于是由D 的定义知的定义知 探测器的噪声功率探测器的噪声功率N A 所以所以 又有又有 38 把两种因素一并考虑，把两种因素一并考虑，21)(fADfADD=*)W/Hzcm(21定义定义 称为归一化探测度。称为归一化探测度。D*大的探测器其探测能力一定好。大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长值时注明响应波长、光辐射调制频率、光辐射调制频率f及测量带宽及测量带宽f，即，即D*(,f,f)。39 光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如意到，例如光敏面积光敏面积，探测器，探测器电阻，电容电阻，电容等。等。特别是特别是极限工作条件极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了通常规定了工作电压、电流、温度工作电压、电流、温度以及以及光照功率允许光照功率允许范围范围，使用时要特别加以注意。，使用时要特别加以注意。7.其它参数 40 光电检测器件的性能参数光电检测器件的性能参数 参数参数 物理描述物理描述 表达式表达式 单位单位 积分灵敏度积分灵敏度 光电转换特性的量度光电转换特性的量度 安安/瓦瓦 伏伏/瓦瓦 光谱灵敏度光谱灵敏度 对某一波长光电转换的量度对某一波长光电转换的量度 安安/瓦瓦 频率灵敏度频率灵敏度 电流随调制频率变化的量度电流随调制频率变化的量度 安安/瓦瓦 量子效率量子效率 吸收的光子数和激光的电子数之吸收的光子数和激光的电子数之比比 通量阈通量阈 探测器所能探测的最小光信息功探测器所能探测的最小光信息功率率 瓦瓦 噪声等效功率噪声等效功率 单位信噪比时的信号光功率单位信噪比时的信号光功率 瓦瓦 归一化探测度归一化探测度 与噪声等效功率成倒数、光敏面与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关积和噪声功率有关 厘米厘米.赫赫兹兹1/2/瓦瓦 pidpdiRi=dPiR=piRff=iReh=inthRiP=()1=iSNRsPNEPNEPfAD/*=pudpduRu=41 4.3 光电探测器的噪声光电探测器的噪声 1.1.噪声概念噪声概念 2.2.噪声描述噪声描述 3.3.光电探测器的噪声光电探测器的噪声 42 1.噪声的概念 任何一个探测器任何一个探测器，都有一定噪声都有一定噪声。携带信息的信号在传输的各个环节中不可避免地受到各种携带信息的信号在传输的各个环节中不可避免地受到各种干扰干扰，而使信号发生某种程度的畸变而使信号发生某种程度的畸变。通常把这些非有用通常把这些非有用信号的各种干扰统称为噪声信号的各种干扰统称为噪声。噪声是限制检测系统性能的噪声是限制检测系统性能的决定性因素决定性因素。()()()nsu tu tu t=():su t信号()u t：输出噪声表示了输出量偏离信号的程度噪声表示了输出量偏离信号的程度 43 人为噪声和自然干扰一般可以预知，因而总可以设法减少和人为噪声和自然干扰一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。消除。物理系统内部干扰表现为一种无规则起伏。物理系统内部干扰表现为一种无规则起伏。例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。无规则起伏施加给有用信号。噪声分为：噪声分为：人为噪声、自然干扰、物理系统内部起伏干扰人为噪声、自然干扰、物理系统内部起伏干扰 44 降低入射光功率时，增降低入射光功率时，增大放大率，出现无规则大放大率，出现无规则起伏。起伏。探探 测测 器器 放放 大大 器器 示波示波器器(a)(b)(c)光光 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。意改变放大量的理想放大器。入射光强度较大时，在入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形化的信号电压波形。再降低入射光功率时，再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小噪正弦波幅度越来越小噪声完全埋没了信号。声完全埋没了信号。45 任何一个探测器，都一定有噪声。任何一个探测器，都一定有噪声。在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。这种无规起伏，在统计学中称为随知的电压起伏。这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题。信号的问题。46 噪声电压随时间无规则起伏情况，无法用预先确知的时间函数噪声电压随时间无规则起伏情况，无法用预先确知的时间函数来描述它。来描述它。长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值为时间平均值为零零，时间平均值无法描述噪声大小。时间平均值无法描述噪声大小。)(t u n t 0(a)2.噪声描述 47 先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓均方根噪声电压开方，就得到所谓均方根噪声电压u un n，即，即 虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其均方根电虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其均方根电压却具有确定值。压却具有确定值。212)(tuunn=+=22212nnnuuu+=22212nnnnuuuu产生探测器起伏噪声的因素往往很多，但这些因素又彼此独立，产生探测器起伏噪声的因素往往很多，但这些因素又彼此独立，总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即，即 均方根噪声电压均方根噪声电压(电流电流)称为探测器的噪声电压称为探测器的噪声电压(电流电流)。48 成立的条件是成立的条件是un(t)绝对可积，即绝对可积，即 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。为了克服这个困难，引入为了克服这个困难，引入噪声电压的自相关和功率谱噪声电压的自相关和功率谱。+=dtetuutjnn)()(+=deututjnn)(21)()nut dt+由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是傅里傅里叶变换叶变换。若噪声电压为。若噪声电压为un(t)，则其付里叶变换对为，则其付里叶变换对为 49 自相关定义为：自相关定义为：1()lim()()2TnnTTg tutudT=+()()jtgg t edt+=1()()2j tg tged+=221(0)lim()2TnnTTguduT=)0(g)(t g t 0 在自相关定义中，令在自相关定义中，令t0，则，则 噪声电压的自相关满足绝对可积条件噪声电压的自相关满足绝对可积条件 50 式中式中 表示噪声电压平方的平均值，表示噪声电压平方的平均值，它的物理意义：噪声电压消耗在它的物理意义：噪声电压消耗在1电阻上的平均功率。电阻上的平均功率。同样，在傅里叶变换式中令同样，在傅里叶变换式中令t0，则有：，则有：式中使用了式中使用了 的关系。的关系。为了表述得更清楚一些，还可以利用为了表述得更清楚一些，还可以利用 再应用付里叶变换对，可以证明：再应用付里叶变换对，可以证明：2nu221(0)lim()2TnnTTguduT=21(0)()()2ngugdg f df+=f2=2*()()()nnnuuu=51 比较有种方法的结果，就有比较有种方法的结果，就有 它们是单位频带噪声电压消耗在它们是单位频带噪声电压消耗在11电阻上的平均功率，称为电阻上的平均功率，称为噪声电压的功率谱噪声电压的功率谱。实际上，探测器的测量带宽是有限的，用实际上，探测器的测量带宽是有限的，用f f表示，那么当表示，那么当g g(f f)常数常数(这种噪声又称为白噪声这种噪声又称为白噪声)时时:求噪声的问题就转化为求解噪声功率谱求噪声的问题就转化为求解噪声功率谱g g(f f)的问题了的问题了.222211(0)lim()221 ()()2 nnTnnguudTudufdf+=2)()(nug=2)()(fufgn=ffgugn=)(2)0(252 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声散粒噪声、热噪声和和低频噪声低频噪声。在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，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，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。尤其在所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信信号较弱号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。确性。3.光电探测器的噪声 53 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子或载流子所无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子或载流子所造成的起伏（以光电子发射为例）。由于造成的起伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷起伏单元是电子电荷量量e e，故称为，故称为散粒噪声散粒噪声。2()g feiM=222nniiei fM=（1 1）散粒噪声）散粒噪声 散粒噪声功率谱散粒噪声功率谱 散粒噪声电流与电压散粒噪声电流与电压 222nnLLui Rei fM R=i i：平均电流，：平均电流，M M：探测器内增益：探测器内增益 电流来源电流来源 ndbsiiii=+122ndbseeiSe iPPMfhh=+不同的物理效应不同的物理效应，S去不同的值去不同的值 54 由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声热噪声，或称为或称为约翰逊噪声约翰逊噪声。产生原因：产生原因：任何有电阻的材料都有热噪声。载流子处于任何有电阻的材料都有热噪声。载流子处于不断的热运动之中，频繁地与物质的分子相碰撞，载流子不断的热运动之中，频繁地与物质的分子相碰撞，载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流。的每一次自由运动都产生一个瞬时电流。特点：在长的时间间隔看来，电流的总和必然等于特点：在长的时间间隔看来，电流的总和必然等于0 0，但，但在短的时间间隔内，这些电流的随机起伏形成噪声电流，在短的时间间隔内，这些电流的随机起伏形成噪声电流，因载流子的均方速度与绝对温度成正比，噪声随温度的增因载流子的均方速度与绝对温度成正比，噪声随温度的增高而增加，所以又称为热噪声。高而增加，所以又称为热噪声。约翰逊噪声在整个频率范约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的，因而它是一种围单位带宽内的大小是一样的，因而它是一种白噪声白噪声。（2 2）电阻热噪声）电阻热噪声 电阻电阻R的热噪声电流功率谱的热噪声电流功率谱()2/Bg fK TR=24/nBiK T fR=噪声电压与电流噪声电压与电流 24nBuK T fR=55 1/f 1/f 噪声又称为噪声又称为低频噪声低频噪声。产生的原因：由于产生的原因：由于光敏层的微粒不均匀光敏层的微粒不均匀或或不必要的微量不必要的微量杂质的存在杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引，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。起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大主要出现在大约约1KHz1KHz以下的低频频域以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率，而且与光辐射的调制频率f f成反成反比，故称为低频噪声或比，故称为低频噪声或1/1/f f 噪声。噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等缺陷或不均匀等)对对这种噪声的影响很大，所以有时也称为这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪表面噪声或过剩噪声声。（3 3）1/f 1/f 噪声噪声 1/f 噪声的经验规律噪声的经验规律 2/nniAiff=A A：与探测器有关的系数；：与探测器有关的系数；i:i:平均电流；平均电流；2，1