4.3 光电探测器的噪声

1、4.3光电探测器的噪声主要分为：可见噪声和随机噪声。前者一般是可以预测的，所以总是可以减少和消除的。后者来自物理系统内部，呈现出不规则的波动。例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子的随机产生和复合，等等。这些随机因素对有用信号施加了不规则的波动。波动噪声对有用信号的影响。假设入射光由正弦强度调制，放大器是一个理想的放大器，可以任意改变放大。首先是噪声的概念，当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦信号电压波形。当入射光功率降低，放大倍数增加时，发现正弦电压信号中存在许多随机波动，这使得正弦信号变得模糊(图(b)。当入射光功率再次减小时，正弦波的振幅越来越小，混沌

2、变化越来越大。最后，只有不规则的起伏，根本没有正弦变化。这就是所谓的完全掩盖信号的噪音。当然，探测器也失去了探测微弱光信号的能力。从上面的讨论中，我们应该确立这样的观点，即上述现象不是由坏的探测器引起的。这是探测器固有的不可避免的现象。任何探测器都必须有噪音。也就是说，在其输出端总是存在一些不规则和不可预测的电压波动。这种随机波动在统计学上称为随机波动，是微观世界服从统计规律的反映。从这个意义上说，微弱光信号的检测是如何从噪声中提取信号的问题，是信息检测理论研究的中心课题之一。第二，噪声的描述，噪声电压随时间的不规则波动。显然，它不能用预定的时间函数来描述。然而，噪声本身在统计上是独立的，所以

3、可以用统计的方法来描述。长期以来，噪声电压从零上升到下降的概率是相等的，其时间平均值必须为零。因此，噪声不能用时间平均来描述。然而，如果我们先取噪声电压的平方，然后求出这些平方值随时间的平均值，那么我们就可以得到所谓的噪声电压的平方根un，也就是说，这就是我们用电压表测量的有效电压。虽然噪声电压的波动是不规则和不可预测的，但其平均根电压有一个确定的值。这是噪声电压(噪声电流相同)服从统计规律的反映。由于产生检波器波动噪声的因素很多，且这些因素相互独立，因此总噪声功率等于各种独立噪声功率之和，即检波器输出的噪声电压(电流)的平方根称为检波器的噪声电压(电流)。显然，检测噪声的存在限制了检测器检测

4、光信号的能力。因此，定量估计探测器的噪声水平是非常重要的。由于在频域中讨论许多时域问题更方便，所以采用傅里叶变换。如果噪声电压是un(t)，那么它的傅立叶变换对是0，如果un(t)是绝对可积的，这是成立的，也就是说，显然，无限连续的噪声电压不能满足上述公式。因此，无限连续噪声电压的振幅傅立叶频谱不存在。为了克服这一困难，采用了傅里叶变换，它引入了噪声电压的自相关和功率谱。自相关被定义为噪声电压和时间平均值的卷积运算。显然，它满足绝对可积条件，所以它的变换谱存在，即在自相关的定义中，让t0，那么，表示噪声电压平方的平均值，及其物理意义：噪声电压在1个电阻上消耗的平均功率。类似地，如果t0在公式(

5、3)中给出，则存在公式中使用的关系。为了更清楚地表达，我们可以从等式(4)开始，再次应用傅立叶变换对。通过比较等式(5)和(6)，可以证明存在或它们是1个电阻器上单位频带内噪声电压消耗的平均功率，这被称为噪声电压的功率谱。实际上，检波器的测量带宽是有限的，用f表示，因此当g(f)为常数时(这种噪声也称为白噪声)，寻找噪声或Vn的问题就转化为寻找噪声功率谱g(f)的问题。第三，根据噪声的物理成因，光电探测器的噪声源大致可分为散粒噪声、复合噪声、热噪声和低频噪声，它是光电转换物理过程中固有的，是一种无法人为消除的输出信号波动，是与器件密切相关的参数。因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到

6、导带的过程，或者说电子从材料表面逃逸的过程，是一系列独立事件和随机过程。不确定每时每刻会出现多少载波，因此随机波动不可避免地会与信号同时出现。特别是当信号较弱时，光电探测器的噪声会显著影响信号检测的精度。根据产生噪声的原因，可以分为以下几类：1 .散粒噪声：在无光条件下，电子引起的波动是由热激发随机产生的(以光电子发射为例)。因为起伏单位是电荷e，所以它被称为散粒噪声，存在于所有的光电探测器中。热激励散粒的均方噪声电流是其有效值，即相应的噪声电压。如果探测器有内部增益m，上述公式也应该乘以m。光电探测器依靠内部场来分离电子-空穴对，空穴对电流的贡献很小，主要是电子。上述两个公式也适用于光伏探测

7、器。2.光电导探测器产生复合噪声对，载流子的热激发是电子-空穴对。运动中的电子和空穴与光伏器件的重要区别在于严重的复合过程，而复合过程本身是随机的。因此，不仅存在载流子产生的波动，而且存在载流子复合的波动，这使波动加倍。虽然它本质上是散粒噪声，但为了强调产生和复合的两个因素，它被称为复合散粒噪声的产生，简称复合噪声的产生，并写成Ig-r和Vg-r，即M是光电导的内部增益。光子噪声上面是由热激励产生的散粒噪声。假设热激励被忽略，即热激励DC电流Id为零。因为光子本身遵循统计规律。我们通常所说的恒定光功率实际上是光子数的统计平均值，在每个瞬间到达探测器的光子数是随机的。因此，光激发的载流子必须是随

8、机的，并且还会产生波动噪声，即散粒噪声。因为光子涨落在这里被强调，它被称为光子噪声。这是探测器的极限噪声，信号光和背景光都伴随着光子噪声，光功率越大，光子噪声越大。所以我们可以用ib和is代替id，得到光子噪声的表达式。即光子散粒噪声电流，它适用于光电发射和光伏情况，如果有内部增益，它乘以m。而光电子产生复合噪声可以用光功率Pb和Ps表示。考虑到id、ib和is的相互作用，光电探测器的总散粒噪声可以统一表示为S=2(光电发射和光电效应)或S=4(光电导)，m内部增益系数(无内部增益=1)，b(测量带宽)，4。热噪声，电阻材料由载流子的热运动引起的波动是电阻材料的热噪声，或约翰逊噪声。热噪声是由

9、导体或半导体中载流子随机热激发的波动引起的。它的大小与电阻值、温度和电阻的工作带宽有关。可以证明，单个电子的噪声贡献是k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度，m是电子质量，0是电子的平均碰撞时间。电阻样品中有nV电子，浓度为n，体积为VAd，它们产生的电流脉冲数等于电子碰撞的平均次数。根据固体物理学，电阻样品的电阻值等于0，对应的热噪声电压为有效噪声电压和电流，分别为噪声等效电路中的电阻R，可以等效为电阻R与电压源Un的串联或电阻R与电流源in的并联，如图所示。5.1/f噪声和1/f噪声也称为闪烁或低频噪声。这种噪声是由感光层中的不均匀颗粒或不必要的微量杂质的存在引起的。当电流通过时，微粒之间会发生微

10、火花放电，产生微电爆炸脉冲。这种噪音几乎存在于所有的探测器中。它主要出现在约1KHz以下的低频范围内，与光辐射的调制频率f成反比，因此称为低频噪声或1/f噪声。发现检测器表面的工艺状态(缺陷或不平整等。)对这种噪声有很大的影响，所以它有时被称为表面噪声或过度噪声。1/f噪声的经验规律如下：在公式中，Kf是与部件的制造工艺、材料尺寸和表面状态有关的比例系数；是一个系数，与流经元件的电流有关，其值通常为2；是与部件的材料特性相关的系数，其值在0.81.3之间，取大多数材料的值；它与元件的电阻值有关，一般在1.41.7之间。一般来说，只要低频端的调制频率不低于1千赫，就可以防止这种噪声。温度噪声，即由材料温度波动引起的噪声。热探测器必须考虑温度噪声的影响。当一种材料的温度变化时，会有一个温差t，这将导致材料的热通量发生变化，从而导致物体的温度噪声。温度为t的物体的热流噪声的均方值为a作为传热面积；h是传热系数，单位为w/(m2k)；k是玻尔兹曼常数；t是材料温度；f是通带宽度。温度噪声和热