光电子学 (第五章3)

1、 光电子学 第五章 光辐射的探测 第二十讲 湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲2016 年 3 月 物理与微电子科学学院物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience问题一：光电效应及特点？ 光照物体使其发射电子，物体使其发射电子，材料电学性质变（电导率，发射电子，产生感应电动势）光电效应（太阳能电池）。 外光电效应：光辐射，产生电子发射。 内光电效应：光照物质电子能量态变，表面不发射电子。 p vmax光电子逸出最大v p h W，光电发射，入射光 下限（ 上限） 红限， 红限 （长波限）。 Wmvh2max21入射光子入射光

2、子能量能量电子动电子动能能逸出功逸出功入射光子足够能量，至少=逸出功，发生光发射。 p 入射光 截止 ，无论光强多大，照射t多长，都不发射光电子。 光入射物体，电子吸收光子能量，基态跃到激发态； 电子受激处出发向表面运动，同其他电子或晶格撞失部分能；达表面电子克服势垒束缚，逸出形成光电子。 问题二：爱因斯坦定律说明什么问题？ IK饱和光I； v入射光通量；SK常数 光电发射体灵敏度； p 光I 入射光强。入射光 红限值（红限 , ），产生光。 ) 325(vKKSI斯托列托夫定律光电管，光电倍增管检测基础。斯托列托夫定律光电管，光电倍增管检测基础。问题三：斯托列托夫说明什么问题？ 光入射半导体

3、，材料内激发新载流子，电导率变。 问题四：光电导效应及原理？光照产生电压现象。结区结区pn+-E 光光 IV短路光短路光I开路光开路光V光光I反向反向I暗暗I问题五：光伏效应及原理？光热效应光热效应热释电效应热释电效应测辐射热计效应测辐射热计效应 温差电效应温差电效应入射光照材料受热电阻率变测辐射热计效应。 ）（28252TBT)2625(1TT金属半导体 p 光辐射强度变物质T变P 变。 自发极化驰豫10-12s，P跟上变。自由电荷中和极化电荷过程长，数s，表征光辐射信息P被中和前测到。问题六：热释电与测辐射热计效应？ 一接头吸热 另接头放热 两不同金属两处相接，结点不同T，I 不断流过电路

4、。 1T图图1 接触电势差原理图 +AB2T 均匀导体热电效应。 I流动向T差，导体吸（放）热速率：)3225(IdxdTdtd)2925(IdtdP)3125(0TTSdTV温差较大 温差较小 )3025(TSdV问题七：温差电效应? u 两不同金属热电偶，输直流I， 方向不同，电偶结点产生吸（放）热。 问题八：光电探测与热探测性能比较？光电探测： p 选择好 p 响应快 热探测： p 无选择p 响应t长，ms 光辐射的探测 55-4 光辐射的探测方法 5-2 光探测的基本物理效应 5-1 物质中的光吸收 5-3 光辐射探测过程中的噪声 噪声来源 描述噪声作用参量 1 3 2 噪声特征 瞬时

5、值平均0 均方值确定 光辐射探测，光信号转换、传输及处理。 除有用信号，受t无规起伏非信号干扰噪声。 探测系统，防干扰，抑噪声。 光辐射探测系统，光信号弱，了解和研究噪声。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 光探测系统： 光辐射探测器； 后续电路（前置放大器、主放大电路）； 噪声源： 与信号光检测有关噪声； 与电路有关电路噪声。 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法三、几种主要的

6、噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 噪声量子噪 声 暗电流噪 声 倍增噪 声 背景噪 声 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 量子噪声量子噪声 暗电流噪声 量子噪声（散粒噪声，不可消除） p 单位t 达检测器信号光子数随机性，与信号电平有关。 p 信号越大，单位t到探测器光子数多，起伏越大，光I 起伏大，噪声大。 p 噪声产生：与光子统计特性有关，不可消除，决定噪声最小极限。 p 起伏：光子随机性及 光电子随机

7、性引起散粒噪声。 1. 与信号检测过程有关的噪声与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 载流子在产生复合过程中形成噪声 与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 暗I 噪声（散粒） p 无光照（暗I），过检测器I，随机起伏 散粒噪声。 p 与暗I 噪声类漏I 噪声： u 器件表面不完善（缺陷及污染）致。 p 内部I 增益器件倍增噪声：u 倍增过程统计特

8、征产生附加散粒噪声。 p 除、，另： 载流子产生复合噪声、 与 有关噪声、 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声 1. 与信号检测过程有关的噪声与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 载流子在产生载流子在产生复合过程中形成噪声复合过程中形成噪声 与频率有关噪声与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作

9、用的几个参量 量子噪声（量子噪声（散粒，不可消）：单位t 达检测器信号光子数随机性，信号电平有关； 散粒噪声散粒噪声：量子噪声起伏，光子及光电子随机性引起； 暗暗I 噪声噪声：无光照，过检测器I，随机起伏，散粒噪声； 漏漏I 噪声：器件表面不完善（缺陷及污染）引起； 倍增噪声：内部I 增益器件，倍增统计产生附加散粒噪声； 载流子产生复合噪声：光激发产生载流子和载流子复合随机性过程，引起I 随机起伏形成； 与 有关噪声：低频（红）和高频（蓝）噪声，白噪声； 背景噪声：伴随光信号从传输介质引入。 归纳： 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪

10、声5-4光辐射的探测方法 量子噪声 暗电流噪声 1. 与信号检测过程有关的噪声与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 载流子在产生复合过程中形成噪声 与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 探测器后放大电路噪声源： R 噪声 前置放大器噪声； p 后者对信号影响大。 各种噪声： 有些略； 有些分析原因，抑制或消除。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 与信号检测过程有关的噪声 2.

11、 与电路有关的电路噪声与电路有关的电路噪声 一、噪声的来源一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 噪声随机信号，不能预见精确性； 规律可循，找规律，解决办法。 光探测器及系统噪声，何时幅度多大，偶然。 随机起伏量遵循统计分布律统计分布律，统计概率统计概率求统计参量。1. 噪声的统计特性噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作

12、用的几个参量 常见噪声，概率： 泊松分布（离散）； 高斯分布（连续）； 连续变物理量（V，I）噪声遵循高斯分布高斯分布； 离散物理量（光子，电子数）噪声概率泊松分布泊松分布描述大量独立事件统计特性规律。 如，光子达光接收面概率泊松分布泊松分布（独立）： 光子达光探测器接收面概率 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 npn 瞬时到达值，

13、 平均值。n 很大值，繁琐。 ) 135(!)()(ennnnnP 近似，高斯代替泊松分布，误差不大。高斯分布：高斯分布： 实际到达值对平均值偏离，测光量子数平均值 ，n 随机起伏量，无法测。 n可正，可负，不用 n表示起伏， n2表示。不同n不同概率， n2对不同n有不同概率， n均方值 ： nnnn2n (5-3-3)表明， 由光量子平均数 表示。 2nn) 135(!)()(nnennnP泊松分布 )235(21)(2)(2nnnennP高斯分布 高斯分布 )335()()()()(0222022nnnnPnnnPnn均方值 连续连续 独立独立 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理

14、效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 均方值表示随机起伏大小。无规变物理量，瞬时值平均0，均方值定，该物理量变规律。噪声V(I )平方值长t 平均： 噪声上式定。均方根噪声V(I )有效值。 )535()(22tiiNN噪声V均方值 )435()(22tvvNN瞬时值平均0 均方值完全定 p (5-3-4)或(5-3-5)均方噪声功率，1 R产生均方噪声功率。 5-1物质中的光

15、吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法噪声I均方值 1. 噪声的统计特性噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 高斯分布 )335()()()()(0222022nnnnPnnnPnn均方值 非周期起伏信号用功率谱密度，知噪声频率分布特征， 抑制探测系统噪声提供依据。 随t 变信号，傅里叶变换，时域频域。同信号傅里叶变换与反变换： p SN( )噪声功率 谱，功率谱密度。 )635()()()()(22deSt

16、SdtetSStjNNtjNN噪声功率谱密度 自相关函数 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 随机过程功率频谱自相关函数傅里叶变换。噪声I iN(t)，自相关函数： 噪声I 两不同时刻联系。t =0： 噪声功率。 定义： ),(2Ni噪声功率 噪声功率谱密度 噪声功率 )935()()(21lim)(TTNNTNditiTtS自相关

17、函数 噪声I 均方值 )1035()(21lim)0(22TTNNTNidiTS噪声功率 自相关函数 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 频域( , + )噪声功率 SN( )知，噪声功率SN( )频域积分： )735(),(lim)(20vvvviSNfN)835()(_2dvvSiNN (5-3-11)代入(5-3-10)： (

18、5-3-12)与(5-3-8)比较： 功率谱密度SN( )与 无关。(5-3-12) 噪声存在 范围或测量设备 范围。 噪声I 与 谱变换： ）（1335| )(|)(2NNiS2| )(|Ni)835()(2dSiNN)1435(| )(|22NNii噪声功率)1135()()()()(22deitidtetiitjNNtjNN 谱 噪声I)1235(| )(| )(|21lim222didiTiNNTN噪声功率 噪声功率 噪声功率谱密度 )635()()()()(22deStSdtetSStjNNtjNN噪声功率谱密度 自相关函数 )1035()(21lim)0(22TTNNTNidiTS

19、噪声功率 自相关函数 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 求出，噪声功率。 实际噪声与光电探测相关噪声功率分布具(5-3-14)特点。 研究噪声功率，求SN( )可。 散粒噪声与热噪声，处理自相关函数SN(t )，噪声功率谱密度： )1535(| )(|2)(22iNiN)1435()(| )(|22NNNSii噪声功率 )1335

20、(| )(|)(2NNiS噪声功率谱密度 )635()()(2deStStjNN自相关函数 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 N |i( )|噪声I傅里叶变换， 载流子平均值， 与随机过程I 平均值I 关系 。 eIN 典型功率谱密度曲线。 白噪声宽频范围SN( )（噪声功率谱密度)不变。 低频与高频噪声有色，分布部分 间隔。 低

21、频与 反比-1/ 噪声红噪声; 高频噪声 2蓝噪声。 白噪声功率谱密度全频域均匀分布：(n常数，- ) 2)(0nPn红噪声 蓝噪声（有色） SN( ) 噪声功率谱密度 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 根据噪声分布，抑制，原则： u信号频带范围，SN( )（噪声功率谱密度）尽量抑制。 可： 系统带宽； 滤波装置。 5-1物质中的

22、光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 红噪声 蓝噪声（有色） SN( ) 噪声功率谱密度 不同时刻噪声取值随机，有联系。 噪声关系相关，否 无关。 光探测器，噪声源： 噪声源噪声源不相关，不相关，总噪声功率各功率叠加：)1635(22221 NNNiii总各噪声源完全不相关 总噪声功率 噪声源噪声源相关，相关，总噪声均方根I =各噪声均方根I 叠加

23、： 噪声源噪声源部分相关。部分相关。程度相关系数表示，难准确，估算。 多探测系统噪声源无关，总噪声功率各源功率和。 )1735(22221 NNNiii总各噪声源完全相关 总噪声均方根I 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性2. 噪声的功率谱密度3. 噪声的相关性噪声的相关性 一、噪声的来源 二二、噪声的主要特征、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 入射PN结光许多光子，每光子电子空穴对，脉冲I，一些光子不产生电子，光子数Np0，与总光子数Np关系： )1935

24、(eTNIpp光I )1835(0ppNN起作用光子数 总光子数 1. 光电子噪声电流（量子噪声）光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 p 量子效率。 Np 统计规律，光子引起光I 浮动。每光量子产生I 持续时间T，产生光I： 噪声I平方： (5-3-3)，噪声I均方值 光I平均值。光子能量

25、光I，光电检测器 响应与矩形响应低通滤波器 响应等同，引等效带宽 。 脉冲宽度T关系： (5-3-22)代(5-3-21)，光量子噪声I pI)1935(eTNIpp光I )2335(222ppQeIIi光量子噪声I )2135()()(222222222pppppppITeNTeNNTeNNTeI噪声I均方值 2202220( )()( )( )(533)nn P nnnP nnnn 噪声统计特性 )2035()()(22222pppppNNTeIII)2235(21T等效带宽 1/T=2 nnn偏离值 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程

26、中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声）光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 无光照，影响因素：PN结内热激发，宇宙射线或放射性元素辐照产生载流子，内出现随机电荷流动，起伏暗I产生过程统计性引起，噪声干扰。噪声电荷随机变引起散粒噪声。 I大，泊松高斯分布，噪声I均方值：p ID暗I 暗I大，噪声大。 漏I 噪声，器件表面不完善（缺陷及污染）引起 ）（243522DDeIi暗I噪声I ）

27、（2335222ppQeIIi光量子噪声I ）（135!)()(nnennnP泊松分布 ）（23521)(2)(2nnnennP高斯分布 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 有I内增益光电探测器件（雪崩光电二级管），量子燥声和暗I噪声除按倍增效益放大，附加起伏。 每光生

28、载流子不同倍增效益，倍增后光I比倍增前大随机起伏。 倍增增益G平均效应平均倍增因子。 倍增因子随t波动，探测器附加噪声源。 ）（243522DDeIi暗I 噪声I ）（2335222ppQeIIi光量子噪声I 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 F(G)过剩噪声因子。内增益器

29、件，噪声不简单放大G2倍更大。 F(G)为Gx，x过剩噪声指数，0.3-1，倍增，量子噪声与暗I 噪声： 器件体I 受F(G)影响，表面，缺陷，污染表面漏I 不被放大，器件漏I 噪声略。 随机增益g统计平均值=平均雪崩增益G， ， 但 ，差一因子。量子噪声和暗I 噪声： gGg 222Ggg)2435(22DDeIi)2335(222ppQeIIi光量子噪声I暗I 噪声, 噪声I 均方值 )2635()(2)2535()(22222GFGeIiGFGeIiDDpQ光量子噪声I 暗I噪声I )2735(2222xDQGeIii）（考虑倍应，量子噪声与暗I 噪声 5-1物质中的光吸收5-2光探测的

30、基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 半导体作探测器，载流子产生与复合随机引载流子浓度波动。起伏空穴、电子运动过程出现，属散粒噪声。 强调载流子产生与复合，“产生 复合噪声”（g-r 噪声）； 光子激发生成载流子，运动中随机遇异号载流子复合，寿命 ， 内载流子产生I： p v 载流子平均漂移速度；l 光电导体长

31、度；e 电子电荷。 )2835()(0)0()(ttlevti载流子产生I 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生产生复合噪声复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 (5-3-28)傅里叶变换，频谱分布 平方，得 )3135()1 (2)(| ),(|)(|20222022022lvedgii)2835()(0)0()(tt

32、levti 载流子产生I )2935()1 ()(),(jtjtjeljevdtelevdtetii频谱分布 )3035()2(| ),(|22222jjeelvei频谱分布 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生产生复合噪声复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 00)exp()(g 载流子平均寿命 0，复合概率 ， 统计

33、平均：)3135()1 (2)(| ),(|)(|20222022022lvedgii (5-3-15)得功率密度 )1535(| )(|2)(22NNiNi噪声功率谱密度 2022202241)(22| )(|dNteNi =2 功率密度 )3335(1441)(4)(202202202eIGteIidN功率密度 )3235(0dteNI平均光I )1325(dtG光电导增益 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生产生复合噪声复合噪

34、声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 td=l /v 渡越t； 单位t 生成平均载流子， 与平均光I 关系： NN 故 01， 内噪声功率： G 内I 增益系数，无内增益，G=1，(5-3-34)，g-r 噪声与前其他散粒噪声同。 )2335(222ppQeIIi光量子噪声I)2435(22DDeIi暗I噪声, 噪声I均方值 )3335(1441)(4)(202202202eIGteIidN功率密度 )3435(42GeIiN产生复合噪声功率 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效

35、应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生产生复合噪声复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声 半导体光电器件另噪声与半导体同电极接触，内及表面势垒有关。欧姆接触，电极与连线间，光电发射器，存在低频噪声。 1/ 噪声： p K系数；I 器件I， 常数，取2； 常数，0.8-1.3，多取1； 工作 ， 带宽。 1/ 噪声低频显著，比散粒噪声大几倍闪烁噪声，红噪声， 高频，1/

36、 与白噪声比略。 )3535(2KIiN1/ 噪声经验公式 )3435(42GeIiN产生复合噪声功率 白噪声：功率谱密度全频域均分； 低频噪声与 成反比，1/ 噪声 红噪声（闪烁）； 高频噪声与 2正比蓝噪声。5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声噪声 6. 热噪声 红噪声 蓝噪声(有色) SN(

37、) 噪声功率谱密度 自由电子与带电离子热运动碰撞变方向。平均散射时间 0 碰撞概率 电荷浓度。时刻 ，电荷未受碰撞概率指数分布，与载流子复合类似， 电子无规热运动平均动能： 定向，某向(x)速度均方值： )3635()(2123222zyxvvvmkTE平均动能 )3735(2mkTvx速度均方值 00)exp()(g5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 R放大电路，热激发大量载流子不规运动，整体，一阻性元件电中性，随机热运动起伏I，R两端起伏V。 无规热运动叠加有规电荷运动上，I 统计平均值涨落，热噪声。热噪声

38、。 热运动与T 密切： p T 高，热噪声大。 1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声热噪声 考虑能量均分定理， 电子相邻两次碰撞，外回路引起I 脉冲： )4035()2(| ),(|22222jjxxeeelvevi)3935(1 )(),(0jxtjexeljevdtetiviI脉冲频谱宽度 )3835(000)(tttlevtixe或，I 脉冲 )2835()(0)0()(ttlevti载流子产生

39、I )2935()1 ()(),(jtjtjeljevdtelevdtetii频谱分布 )3035()2(| ),(|22222jjeelvei频谱分布 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声热噪声 l 电阻长度。I 脉冲频谱宽度 得： 随机碰撞t (5-3-40) 平均 对vx平均，(

40、5-3-37)代入： 每s平均碰撞次数 n 单位体积载流子对数。(5-3-15)，热噪声功率谱密度： )4135()1 (2)(| ),(| ),(|20222202022lvedgvivixxx)4235()1 (2| )(|20222022mlkTei)4035()2(| ),(|22222jjxxeeelveviN)4435()1 (4| )(|2| )(20220222mlkTnVeiNiN热噪声功率谱密度 )3735(2mkTvx速度均方值 )4335(0nVN每s 平均碰撞次数 )1535(| )(|2)(22iNiN噪声功率 )3135()1 (2)(| ),(|)(|20222

41、022022lvedgii00)exp()(g5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 光电子噪声电流（量子噪声） 2. 暗电流与漏电流 3. 倍增燥声 4. 产生复合噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 5. 1/ 噪声 6. 热噪声热噪声 固体物理，R 样品电阻率： R 值： A电荷流动截面积。(5-3-46)代(5-3-44)，01， 0响应信号输出，探测 极限 c c探测器对某 ( )光响应与探测器对该 吸收速率，单位t入射光子

42、数密度成正比， c，响应曲线迅速 至0 相对输出相对输出 随随 线性线性 区区峰值区峰值区急剧下降区急剧下降区c5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率 (NEP) 和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 3. 响应度R4. 光谱响应光谱响应 5. 能量阈Pth 响应度RP=0，Is=0实际，P=0，探测器输出I 0 I 暗I 或噪

43、声I，记记瞬时噪声I 有效值。 响应度R无意义，新参量描述光电探测器该特性。 PIRsi2/ 12)(nnii 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率 (NEP) 和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈能量阈Pth MAIPIfTRMAVPVfTRssss,考虑该因素，光电探测器光电转换

44、模型图。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光功率Ps和Pb信号和背景光功率。Ps和Pb都=0，有噪声输出。 限制探测微弱信号能力。 信号光功率信号光is=噪声in，刚能测到光信号存在。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率 (NEP) 和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 3. 响应度R4. 光谱

45、响应 5. 能量阈能量阈Pth 依这判据，定义探测器通量阈Pth响应度噪声瓦 )(inthRiP Ri=10 A/ W，in=0.01A，Pth=0.001 W 1； 如： p 电视接收设备要求输入信噪比40dB NEP 判断探测器灵敏度高低参数。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率等效噪声功率 (NEP) 和探测度和探测度 (D) 7. 等效噪

46、声带宽 8. 噪声系数 FN 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈Pth 信噪比=1信号功率难测，高功率测，公式外推等效噪声功率NEP： p VS，VN 信号V与噪声V；I入射到探测器光强；Ad光敏面积；P光功率。 NEP 倒数，探测度D： p D大，探测器检测微弱信号能力强。 )5135(/SNNSdVVPVVAINEP等效噪声功率 )5235()(11WPVVNEPDNS探测度 单位信噪比测到信号光功率 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、

47、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率等效噪声功率 (NEP) 和探测度和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈Pth 不同探测器不同探测能力，D不能反映，引参量：比探测度D* p D*：)5235()(11WPVVNEPDNS探测度 归一化探测度、探测度、探测率 )5335()(121*WHzcmPVVADANEPADSNddd比探测度 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 信噪比

48、 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率等效噪声功率 (NEP) 和探测度和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 p 测量带宽。噪声VN与光敏面积Ad平方根成正比，带宽平方根成正比， 常数，D与Ad， 无关，归一化到测量带宽1HzNdVA/ 探测器面积1cm2 p 比探测度归一化探测度 探测度或探测率。 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈Pth 同问题（通量阈探测器能测最小光信号功率），另更通用表述法，等效噪声功率NEP 前定义单位信噪比信号光功率。信

49、噪比SNR定义： nsVVSNR（V 信噪比）信噪比） nsiiSNR（I 信噪比）信噪比） NEP越小，探测器探测微弱信号能力越强（回答前问题）。 NEP描述光电探测器探测能力参数。1)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiP5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率等效噪声功率 (NEP) 和探测度和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用

50、的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈Pth )(WRiPinth 产生单位信噪比需入射功率； 给出探测器能探测最小光功率，表征探测器探测能力。NEP越小，探测能力越强。nsVNEPVP噪声频谱窄， 噪声影响，探测器后放大器成窄带通，中心 调制 ，信号不受损失噪声被滤去，NEP ，NEP 定义：ns21VVNEPP5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 信噪比 2. 信噪比改善系统 6. 等效噪声功率等效噪声功率 (NEP) 和探测度和探测度 (D) 7. 等效噪声带宽 8. 噪声系数 FN 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量四、描述噪声作用的几个参量 3. 响应度R4. 光谱响应 5. 能量阈Pth 1)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiPuNEP越小，探测器探测能力越高，不符合“越大越好”，取NEP倒数定义探测度D uD大探测器探测力高。 )(NEP11瓦D归一化探测度D*（D星）5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程