第二章 光电导器件

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
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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：
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
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。
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 ) 。
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。
3.产生3.产生-复合噪声 产生
产生-复合噪声表达式： 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 ]
Байду номын сангаас
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。
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。
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。
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。