第二章 光电导器件

3.产生3.产生-复合噪声 产生
产生-复合噪声表达式：百度文库产生 复合噪声表达式： 复合噪声表达式
4I 4I 2τ∆f 2 in = N 0 [1 + (2π f τ ) 2 ]
I为总的平均电流； 0为总的自由载流子数； 为 为总的平均电流； 为总的自由载流子数； 为总的平均电流 N τ f 载流子寿命； 为测量噪声的频率。 载流子寿命； 为测量噪声的频率。
U Su = (V lm) Φv
I Si = ( A lm) Φv
2.光谱响应率 2.光谱响应率
探测器在波长为λ 的单色光照射下，输出 的单色光照射下， 的电压或电流与入射的单色辐通量之比称为光 的电压或电流与入射的单色辐通量之比称为光 谱响应率。 谱响应率。
Su , λ = Uλ (V W ) Φ e ,λ
2.散粒噪声 2.散粒噪声
散粒噪声的表达式为
in 2 = 2qI ∆f
q为电子电荷；I为器件输出平均电流 ∆ q为电子电荷；I为器件输出平均电流； f 为所取 为电子电荷 为器件输出平均电流； 带宽。 带宽。 散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。 散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。 白噪声
1.响应率（或积分灵敏度） 1.响应率（或积分灵敏度） 响应率
探测器的输出信号电压或电流与入射的辐 通量之比，称为响应率 响应率。 通量之比，称为响应率。 I U Su = (V W ) Si = (A W ) Φe Φe 若探测器的入射光为光通量信号，则相应得 若探测器的入射光为光通量信号， 光照响应率，或称光照灵敏度 光照灵敏度。 到光照响应率，或称光照灵敏度。
i (t )
用均方噪声来表示的噪声值： 用均方噪声来表示的噪声值：
1 in = ∆i (t ) = ∫ [i (t ) − i平均 ] dt T 0
2 2 T 2
i平均
O
存在多个独立噪声源的噪声功率
t
2
i
2 n总
= i + i + ⋅⋅⋅ + in
2 n1 2 n2
一、噪声的概念 把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得 把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析， 到噪声功率随频率变化关系，称为噪声功率 到噪声功率随频率变化关系，称为噪声功率 s( f ) 。
Si , λ
Iλ = (A W ) Φ e ,λ
Su ,λ 或 Si ,λ 随波长λ 的变化关系曲线称为探测
器的光谱响应曲线。将其归一化，得到相对光谱 器的光谱响应曲线。将其归一化，得到相对光谱 光谱响应曲线 响应曲线。 响应曲线。
3.等效噪声功率和探测率 3.等效噪声功率和探测率
如果入射到探测器上的辐通量按某一频率变 化，当探测器输出信号电流 I （或电压 U ）等于 in 2 （或电压 u 2 )时，所对应 噪声的均方根电流 n 称为等效噪声功率NEP。 等效噪声功率NEP 的入射辐通量Φ e称为等效噪声功率NEP。
4kT∆f in = R
2
u = 4kT∆fR
2 n
k是玻尔兹曼常数；T是温度（K）； ∆f为所取的 是玻尔兹曼常数； 是温度 是温度（ ）； 是玻尔兹曼常数 通带宽度（频率范围）。 通带宽度（频率范围）。
1.热噪声 1.热噪声
因温度影响电子运动速度， 因温度影响电子运动速度，所以热噪声功率与温度 有关。在温度一定时，热噪声只与电阻和通带有关， 有关。在温度一定时，热噪声只与电阻和通带有关， 故热噪声也称电阻噪声 白噪声。 电阻噪声或 故热噪声也称电阻噪声或白噪声。
第二部分 光电探测器
第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 光电导器件 光生伏特器件 光电发射器件 热辐射探测器
补充专题一
光电探测器的噪声
一、噪声的概念
这种随机的、 这种随机的、瞬间的幅度不能预先 知道的起伏，称为噪声。 知道的起伏，称为噪声。
直流信号值： 直流信号值：
I = i平均 1 T = ∫ i (t )dt T 0
s ( f )数值为频率f的噪声在 数值为频率f
单位电阻上所产生的功率
s( f )
白噪声
s ( f ) = in 2 ( f )
根据噪声功率谱与频率的关系： 根据噪声功率谱与频率的关系： O 白噪声： （1）白噪声：功率谱大小与频率无关的噪声 。 1 噪声： 成正比的噪声。 （2） f 噪声：功率谱与1 f成正比的噪声。
5.温度噪声 5.温度噪声
在热探测器中，不是由于辐射信号的变化， 在热探测器中，不是由于辐射信号的变化，而是 由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起 伏称为温度噪声。 伏称为温度噪声。
4kT 4kT 2 ∆f 2 温度噪声的表达式为： 温度噪声的表达式为： tn = G [1 + (2π f τ ) 2 ] t t
4.响应时间 4.响应时间
当阶跃光输入时，光信号上升弦输出电流为： 当阶跃光输入时，光信号上升弦输出电流为：
I (t ) = I 0 (1 − e−t τ )
定义 I (t )上升到稳态值 I 0的0.63倍的时间为探测器的 0.63倍的时间为探测器的 上升响应时间， 上升响应时间，即 τ 上 在下降弦，探测器的输出电流为： I (t ) = I 0 e −t τ 在下降弦，探测器的输出电流为： 定义 I (t ) 上升到稳态值 I 0 的0.37倍的时间为探测器的 0.37倍的时间为探测器的 下降响应时间， 下降响应时间，即 τ 下
依据噪声产生的物理原因， 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 产生—复合噪声 热噪声、 散粒噪声、 复合噪声、 分为散粒噪声、产生 复合噪声、热噪声、1 f 噪声和温度 噪声。 噪声。 是光电转换物理过程中固有的， 是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消 除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 因为在光电转换过程中， 因为在光电转换过程中，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， 导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件， 是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的， 是一种随机的过程。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。尤其在信号 所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号 较弱时 光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。 较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。
1 f 噪声
f
二、光电探测器的噪声 光电测量系统的噪声分类： 光电测量系统的噪声分类：
背景 目标 探 测 器 放 大 器 信号 处 理 示波器
光子噪声 信号辐射产生的噪声 背景辐射产生的噪声
探测器噪声 热噪声 散粒噪声
信号放大及处理电路噪声 温度噪声
1 f 噪声 产生产生-复合噪声
二、光电探测器的噪声
热噪声的等效电路： 热噪声的等效电路：
R
R
u = 4kT∆fR
2 n
in2 =
4kT∆f R
2.散粒噪声 2.散粒噪声
散粒噪声，犹如射出的散粒无规则地落在靶上所 散粒噪声， 呈现的起伏，每一瞬间到达靶上的值有多有少， 呈现的起伏，每一瞬间到达靶上的值有多有少， 这些散粒是完全独立的事件。 这些散粒是完全独立的事件。这种随机起伏所形 成的噪声称为散粒噪声。 成的噪声称为散粒噪声。 例如： 例如：在光电管中光电子从阴极表面逸出的随 机性； 结中载流子通过结区的随机性 结中载流子通过结区的随机性； 机性；p-n结中载流子通过结区的随机性；入射 到探测器表面的光子的随机起伏， 到探测器表面的光子的随机起伏，经光电变换 后也表现为散粒噪声。 后也表现为散粒噪声。
T为周围温度（K）。 为周围温度（ ）。 为周围温度 在低频时
2
Ct τ Gt 为器件的热导； t = 为器件的热导； 是热时间常数； 为器件的热容； 是热时间常数；Ct 为器件的热容； Gt
(2π f τ t ) << 1
4kT 2 ∆f tn2 = Gt
in
2
1 f 噪声
产生-复合噪声 产生散粒噪声和热噪声
3.产生3.产生-复合噪声 产生
在半导体中，在一定温度或一定光照下， 在半导体中，在一定温度或一定光照下，载 流子不断地产生-复合 在平衡状态时， 复合。 流子不断地产生 复合。在平衡状态时，载流子的 产生和复合的平均数是一定的， 产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子 的产生数和复合数是有起伏的， 的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度 的起伏引起材料电导率起伏。在外加电压下， 的起伏引起材料电导率起伏。在外加电压下，电 导率的起伏使输出电流或电压中带有产生-复合噪 导率的起伏使输出电流或电压中带有产生 复合噪 声。
3.等效噪声功率和探测率 3.等效噪声功率和探测率
衡量探测器探测最小光信号能力的指标为探测率 衡量探测器探测最小光信号能力的指标为探测率
Si 1 D= = NEP in 2
4.响应时间 4.响应时间
当照射探测器的辐通量突然从零增加到某值， 当照射探测器的辐通量突然从零增加到某值， 一般探测器瞬间输出信号不能完全跟随输入的变 同样，在光照突然停止时也是这样。 化。同样，在光照突然停止时也是这样。这是由于 探测器惰性而出现上升弦和下降弦。 探测器惰性而出现上升弦和下降弦。通常用响应时 间来衡量探测器的惰性。 间来衡量探测器的惰性。
NEP = I
其中， 其中，I
Φe in 2
(W )
in
2
称为信噪比。 称为信噪比。
3.等效噪声功率和探测率 3.等效噪声功率和探测率
NEP = I Φe in
2
(W )
I Si = (A W ) Φe
in 2 NEP = Si
等效噪声功率越小， 等效噪声功率越小，探测器能探测到的最小辐通 量就越低，性能越好。 量就越低，性能越好。
4.1/f 4. 噪声
1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。 噪声又称为闪烁 低频噪声。 闪烁或 它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且 以下的低频频域， 它主要出现在大约 以下的低频频域 这种噪声的功率谱近似与调制频率f成反比 成反比， 这种噪声的功率谱近似与调制频率 成反比，故称为 1/f 噪声。 噪声。 实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均 实验发现，探测器表面的工艺状态 缺陷或不均 匀等)对这种噪声的影响很大 所以有时也称为表面 对这种噪声的影响很大， 匀等 对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面 噪声或过剩噪声。 噪声或过剩噪声。
4.1/f 4. 噪声
1/f 噪声的表达式： 噪声的表达式：
CI α in2 = β ∆f f
α接近于 ，它与流过元件的电流有关； 接近于2，它与流过元件的电流有关； 接近于 β为与元件材料性质有关的系数，其值在 为与元件材料性质有关的系数， 为与元件材料性质有关的系数 其值在0.8~1.5之 之 大部分材料的β值取 值取１ 间，大部分材料的 值取１； C为比例常数。 为比例常数。 为比例常数 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于 千赫 这种噪声就可以防止。 兹，这种噪声就可以防止。
O
f ( Hz )
光电探测器噪声功率谱综合示意图
补充专题二
光电探测器的主要特性参数
根据测量光信号大小， （1）根据测量光信号大小，探测器能输出多大 的电信号——响应率； 响应率； 的电信号 响应率 （2）探测器的光谱响应范围是否同测量光信号 的相对光谱功率分布一致——光谱响应率； 光谱响应率； 的相对光谱功率分布一致 光谱响应率 对某种探测器， （3）对某种探测器，它能探测的极限功率是多 等效噪声功率、 少——等效噪声功率、信噪比； 等效噪声功率 信噪比； 当测量调制或脉冲光信号时， （4）当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出 电信号能否反映光信号的波形——响应时间； 响应时间； 电信号能否反映光信号的波形 响应时间 当测量的光信号幅度变化时， （5）当测量的光信号幅度变化时，探测器输出 的电信号幅度是否变化——线性。 线性。 的电信号幅度是否变化 线性
1.热噪声 1.热噪声
热噪声存在于任何导体和半导体中。 热噪声存在于任何导体和半导体中。 载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热 载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热 约翰逊（ 噪声或称为约翰逊（Johnson）噪声。 ）噪声。 热噪声均方电流和热噪声均方电压为： 热噪声均方电流和热噪声均方电压为：