第二章 噪声源-2014

17
在研究g—r 噪声产生机理时，除了考虑载流子由 于吸收光受到激发产生的载流子数的随机起伏外， 还要考虑到载流子在运动过程个复合的随机性。 由于载流子的产生与复合都是随机的，所以对噪 声都有贡献。经理论推导g—r噪声的表达式为：
i 4 e I M f 式中，e为电子电荷， 为平均电流，
2 ng r
f及Δf分别为探测器工作的频率和带宽。
电流噪声主要出现在 lkHz 以下的低频区。工作频率大于 1kHz后，与其它噪声相比，这种噪声可忽略不计。在实际 使用中采用较高的调制频率可避免或大大减小电流噪声的 影响。
20
●从热噪声功率与探测器工作温度T的关系知道，低温工 作的探测器的热噪声将大大减小，特别是一些响应于远 红外波段的探测器，为降低热噪声，往往将探测器放置 于液氦(4K)、液氮(77K)的深冷状态。
●同时，在信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带。
14
2．散粒噪声
探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下， 光电子或光生载流子的随机产生所造成的。由于随机起伏 是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。 散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器件中。
例如：
●导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声；
●光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。
这些过程是随机过程，它既不能预知其精确大小及规 律，也不能完全消除，但可以得知其遵循的统计规律、 也可以通过一些措施予以控制。
7
二. 噪声功率谱密度
1. 噪声功率
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值 ( 即噪声功率 ) 的方法，
8
2. 噪声功率谱密度
2 in ( f , f ) S n ( f ) lim f 0 f
Sn(f)表示单位频谱的噪声功率
2 in ( f , f ) 表示频率在f与f+∆f之间的噪声频谱分量的平均功率
噪声功率可由Sn(f)在频域上的积分得到：
i
2 n
S
n
( f )df
16
3．产生—复合噪声
半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的 平均载流子浓度的起伏所产生的噪声称为产生—复 合 噪 声 ， 亦 称 g—r 噪 声 (generation— recombination noise)。
g—r噪声主要存在于光电导探测器中。
g—r噪声与前面介绍的散粒噪声本质是相同的，都 是由于载流子数随机变化所致，所以有时也把这种 载流子产生和复合的随机起伏引起的噪声归并为散 粒噪声，但二者的具体表达式略有下同。
光电探测系统包含光探测器、电子学系统(例如低噪 声前置放大器等)、光学系统等。因此，系统在工作 时，总会受到一些无用信号的干扰，
例如：光电变换中光电子随机起伏的干扰； 辐射光场在传输过程中受到通道的影响 背景光的干扰； 放大器引入的干扰等等。
3
光子噪声
探ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器 噪 声
电路噪声
4
这些干扰及扰动主要来自两方面： (1)来自被研究系统的外部 (2)来自被研究系统的内部
理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：
2 2 W 4 GkT f T 式中G为探测器的热导， k为玻尔兹曼常量， T为探测器工作
温度，
f
为探测器的工作带宽。
由上式可见，温度噪声功率与热导成正比，与探测器工作温 度的平方成正比。
19
5．电流噪声(
1/ f
噪声)
inf k1
5
(1)来自被研究系统的外部
通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起， 这种干扰绝大多数是“人为的”，如：
●电源50Hz干扰； ●工业设备电火花干扰等。 但这种干扰多具有一定规律性，采取适当的措 施(如屏蔽、滤波、远离噪声源等)可以将其减小 或消除。
6
(2)来自被研究系统内部
来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程 的自然扰动。
第二章 噪声源
1
噪声在实际的光电探测系统中是极其有害 的。由于噪声总是与有用信号混在一起， 因而影响对信号特别是微弱信号的正确探 测。
一个光电探测系统的极限探测能力往往由 探测系统的噪声所限制。所以在精密测量、 通讯、自动控制、核探测等领域，减小和 消除噪声是十分重要的问题。
2
一. 噪声的基本概念
13
例如：室温条件下R＝1kΩ的电阻，在 f ＝1Hz带宽内 的均方根热噪声电压值约为4nV；若工作带宽为500kHz 的系统，放大器增益为 104 ，则在放大器输出端的热噪 声均方根电压约 28mV。在微弱信号探测中，这对于信 号来讲是一个不可忽视的量。
？如何减小热噪声——光电探测系统的一个重要问题。
通常采用先计算噪声电压 ( 电流 ) 的平方值，然后将其对时
间作平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：
U
2 n
1 lim T T
u
0
T
2 n
(t ) dt
或
1 i lim T T
2 n
i
0
T
2 n
(t ) dt
表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的 平均功率（噪声功率）
i
2 n
2
傅立叶变换
S
n
( f ) in ( f )



in ( f ) df
2
9
三. 噪声相关性
当系统存在多个噪声源时，必须考虑噪声源之间 的相关性。若各个噪声源独立产生且在各个瞬间 彼此无关时，称不相关；反之相关。 总噪声是这些噪声源的叠加：功率的叠加，同时 考虑相关性。
10
四. 光电探测器噪声
在光电探测器中固有噪声主要有： ●热噪声 ●散粒噪声 ●产生—复合噪声(g—r噪声) ●温度噪声 ●电流噪声或1/f噪声
11
1．热噪声
热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动 引起的。任何一个处于热平衡条件下的电阻，即 使没有外加电压，也都有一定量的噪声，这是由 于电阻体内电子的热运动所引起的。
奈奎斯持(Nyquist)推导出热噪声功率为：
2 U nJ 4kTfR
式中k为玻尔兹曼常量， f 为测量带宽。 如用噪声电流表示则为 2 4 kT f inJ R
12
通常也用热噪声电流(电压)均方根值来进行 计算，它们分别表示为：
2 inJ
4kTf R
1/ 2
15
从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：
2 in 2e I f
式中e为电子电荷，f 为探测器工作带宽。 如果I是探测器的暗电流Id，则探测器在无光照时的暗电流噪 声功率为： 2
ind 2eI d f
对于由光场作用的光辐射散粒噪声也可直接写为：
2 inp 2eI p f
式中IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关，但是它与热噪声的根源 不同，热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖 于kT，而散粒噪声直接起源于电子的粒子性，因而与e直接有 关。
特点是噪声功率谱密度与频率成反比。电流噪声的均方值 可用经验公式表示为： 2 I b f
f
a
式中：k1为比例系数，与探测器制造工艺、电极接触情况、 半导体表面状态及器件尺寸有关；
a 为与材料有关的常数．通常在 0.8 － 1.3 之间，大多数材 料可近似取为1；
b与流过器件的电流I有关，通常取值2；
电子管中的散粒噪声：在电子管中，电子从阴极发射出来， 如果板极上所加的正电压足够高，使离开阴极的电子立即 为板极所收集而流过外电路，在一定的条件下就可测到一 直流电流I，当然这也是时间的平均值。从阴极发射电子 过程来看，它们是完全无规则的。 任一短时间τ内发射出来的电子决不会总是等于平均数， 而是围绕这一平均数有一涨落。
U 4kTfR
2 nJ
1/ 2
热噪声属于白噪声频谱，一般说来，高端极 限额率为： f H 0.15kT 1013 Hz 由上式可知， f H 与电阻的温度T有关。
12 f 6 10 Hz 在室温下(T＝290k)， H
一般电子学系统工作频率远低于该值，故 可认为热噪声为白噪声频谱。
0 为光电导探 M f d τ 0和渡越时 测器的内增益，它是载流子平均寿命
I 为探测器的工作带宽，
间τ d的比值。
18
4．温度噪声
温度噪声主要存在于热探测器中。热探测器通过热导G与处 于恒定温度的周围环境交换热能。在无辐射存在时，尽管热 探测器处于某一平均温度T0，但实际上热探测器在T0附近呈 现一个小的起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称 为温度噪声。它最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。