光電探測器的物理基礎(chǔ)(性能指標(biāo)噪聲).ppt

1、1,3.1.3 光電探測器的性能參數(shù),光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而探測器的性能由特定工作條件下的一些參數(shù)來表征。 實(shí)際參量 參考參量 測量條件,2,一、光電探測器的工作條件,光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性能參數(shù)時(shí)，要注明有關(guān)的工作條件。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，光電探測器才能互換使用。 主要工作條件有： 1輻射源的光譜分布 2電路的通頻帶和帶寬 3工作溫度 4光敏面尺寸 5偏置情況,3,1.輻射源的光譜分布,很多光電探測器（特別是光子探測器），其響應(yīng)是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi)的輻射有信號輸出，稱為光譜響應(yīng)，它決定了探測器探測特定目標(biāo)的有效

2、程度。在說明探測器的性能時(shí)，一般都需要給出測定性能時(shí)所用輻射源的光譜分布。 如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長。假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度。 當(dāng)輻射經(jīng)過調(diào)制時(shí)，則要說明調(diào)制頻率。,4,2.電路的通頻帶和帶寬,因噪聲限制了探測器的極限性能(后面將詳細(xì)討論)。 噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。 在描述探測器的性能時(shí)，必須明確通頻帶和帶寬。,5,3.工作溫度,許多探測器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須明確工作溫度。 通用的工作溫度是： 室溫(295K)、 干冰溫度(195K)、 液氮溫度(77K)、 液

3、氫溫度(20.4K) 液氦溫度(4.2K),6,4.光敏面尺寸,探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關(guān)，大部分探測器的信噪比與光敏面積的平方根成比例。 參考面積一般為1cm2。,7,5.偏置情況,大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。 例如：光電導(dǎo)探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源 信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說明偏置的情況。 此外，對于受背景光子噪聲限制的探測器，應(yīng)注明光學(xué)視場和背景溫度。 對于非密封型的薄膜探測器，要標(biāo)明濕度。,8,二、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù),1.響應(yīng)率(或稱響應(yīng)度)Rv或RI 2.單色靈敏度 3.積分靈敏度 4.響應(yīng)時(shí)間 5.頻率響應(yīng) 6.光譜響應(yīng),9,1.響應(yīng)率(或稱

4、響應(yīng)度)Rv或RI,1）響應(yīng)率是描述探測器靈敏度的參量。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為光電探測器的靈敏度。 2）定義：光電探測器的輸出均方根電壓Vs或電流Is與入射到光電探測器上的平均光功率之比。 RvVss RIiss 分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率。 3）測量響應(yīng)率的輻射源一般是500K的黑體。 4）單色靈敏度和積分靈敏度。,10,2單色靈敏度,1）如果使用波長為的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或單色靈敏度，又叫光譜響應(yīng)度，用R表示， 2）定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比。 (V/W) (A/W) 式中， ()為

5、入射的單色輻射通量或光通量。如果()為光通量，則Rv的單位為Vlm。,11,3.積分靈敏度,積分靈敏度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為： 光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。,12,由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為： 式中， 、 分別為光電探測器的長波限和短波限。 由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫。,13,4.響應(yīng)時(shí)間,1）響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。 2）當(dāng)

6、入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。常用時(shí)間常數(shù)的大小來表示。 當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電探測器，如果這個(gè)脈沖的上升和下降時(shí)間很短，如方被，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10上升到90峰值處所需的時(shí)間稱為探測器的上升時(shí)間，而把從90下降到10處所需的時(shí)間稱為下降時(shí)間。,14,5.頻率響應(yīng),入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較大的影響。光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電探測器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為：,為頻率是 時(shí)的響應(yīng)度； R0為頻率是

7、零時(shí)的響應(yīng)度； 為時(shí)間常數(shù)。 當(dāng) 時(shí)，可得放大器 的上限截止頻率 顯然，時(shí)間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬。,15,6.光譜響應(yīng),1）定義： 不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時(shí)，探測器的響應(yīng)率和比探測率等特性參量隨光輻射波長變化的特性。 2）單色靈敏度和單色探測率，峰值波長 3）光子探測器的光譜響應(yīng) 與波長有關(guān)，截止波長 4）熱探測器的光譜響應(yīng) 與波長無關(guān)，與輻射功率有關(guān)。,16,三、有關(guān)噪聲方面的參數(shù),從響應(yīng)度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。但當(dāng)入射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的

8、，而是它所固有的“噪聲”引起的。 如果對這些隨時(shí)間而起伏的電壓(流)按時(shí)間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個(gè)均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。,17,1.信噪比(SN),1）作用：判定噪聲大小。 2）表示：在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比： 分貝(dB)表示： 3）注意 利用SN評價(jià)兩種光電探測器性能時(shí)，必須在信號輻射功率相同的情況下才能比較。 對單個(gè)光電探測器，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用S/N評價(jià)器件有一定的局限性。,18,2.噪聲等效功率(NEP)（最小可探測功

9、率Pmin）,1）定義 為信號功率與噪聲功率之比為1(即SN1)時(shí)，入射到探測器上的輻射通量(單位為瓦)。 一個(gè)良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。 應(yīng)指明測量條件，如光譜分布、頻率、溫度等。 2）作用： 確定光電探測器件的探測極限。,19,3探測率D與比探測率D*,只用NEP無法比較兩個(gè)不同來源的光探器的優(yōu)劣。引入兩個(gè)新的性能參數(shù)探測率D和比探測率D* 1）探測率D定義為NEP的倒數(shù)，即 它描述的特性是：光電探測器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測的電信號的本領(lǐng)，即光電探測器能響應(yīng)的入射光功率越小，則其探測率越高。 探測率D與光敏面積Ad、測量帶寬有關(guān)

10、。,20,2）比探測率D* 為了能方便地對不同來源的光電探測器進(jìn)行比較，將VN除以 ，則D就與Ad和帶寬無關(guān)了。也就是歸一化到測量帶寬為1Hz、光探測器光敏面積為1cm2。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常用D*記之。根據(jù)定義，D*的表達(dá)式為:,21,4暗電流Id,光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時(shí)所流過的電流（加電源時(shí)）。 一般測量其直流值或平均值。,22,四、其他參數(shù),1.量子效率（） 2.線性度,23,1.量子效率（）,1）量子效率是評價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。 單個(gè)光量子的能量為 ， 單位波長的輻射通量為 波長增

11、量 內(nèi)的輻射通量為 在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換算成量子流速率N為: 量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)。,24,若IS為信號電流，e為電子電荷， 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為： 量子效率為： 2）討論 入射一個(gè)光量子就能發(fā)射一個(gè)電子或產(chǎn)生一對電子一空穴對； 實(shí)際上， 。一般反映的是入射輻射與最初的光敏元的相互作用。 對于有增益的光電探測器(如光電倍增管等)，會遠(yuǎn)大于1，此時(shí)我們一般使用增益或放大倍數(shù)這個(gè)參數(shù)。,25,2.線性度,1）定義 描述探測器的光電特性或光照特性曲線中輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。即在規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。 2）線性區(qū) 在規(guī)定的范圍內(nèi)，若

12、探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，這一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。 光電探測器線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關(guān)系。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。 光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。,26,3）線性度的度量 線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)。是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量： 式中max為實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大誤差；I2、I1分別為線性區(qū)中的最小和最大響應(yīng)值。 在光電檢測技術(shù)中，線性度是應(yīng)認(rèn)真考慮的問題之一，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇和控制。,27,例：已知某探測器的面積為34cm2，D*=1011

13、cmHz1/2w-1，光電儀器的帶寬為300Hz，該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率？ 解：由D*的定義： 當(dāng)Vs/VN=1時(shí)，得到最小探測功率， 所以： 其中：Ad=34cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，=300Hz 代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率min=610-10W,28,3.1.4 光電探測器的噪聲,噪聲問題 光電探測系統(tǒng)實(shí)際上是光信號的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學(xué)系統(tǒng)(例如低噪聲前置放大器等)、光學(xué)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在工作時(shí)，總會受到一些無用信號的干擾，這些非信號的成分統(tǒng)稱為噪聲。 主要噪聲源： 1）光電變換器件中光電子隨機(jī)起伏的

14、干擾； 2）輻射光場在傳輸過程中受到通道的影響 3）背景光的干擾； 4）放大器引入的干擾等等。,29,廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機(jī)擾動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動主要來自兩方面： (1)來自被研究系統(tǒng)的外部 (2)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部,探測器 噪 聲,光子噪聲,電路噪聲,一、光電系統(tǒng)中的噪聲,30,(1)來自被研究系統(tǒng)的外部,通常由電、磁、機(jī)械、雜散光等因素所引起，這種干擾絕大多數(shù)是“人為的”，如 電源50H z干擾； 工業(yè)設(shè)備電火花干擾等。 但這種干擾多具有一定規(guī)律性。 采取適當(dāng)?shù)拇胧?如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)離噪聲源等)可以將其減小或消除。,31,(2)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部,來自被研究

15、系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物理過程的自然擾動。 例如： 導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動引起的熱噪聲， 光探測過程中光子計(jì)數(shù)引起的散粒噪聲等。 這些過程是隨機(jī)過程，它既不能預(yù)知其精確大小及規(guī)律。 不能完全消除，但可以得知其遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、也可以通過一些措施予以控制。,32,噪聲影響對信號特別是微弱信號的正確探測。 一個(gè)光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往由探測系統(tǒng)的噪聲所限制。 所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。,33,噪聲的度量 噪聲是一種隨機(jī)信號，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。任何一個(gè)宏觀測量的物理量都是微觀過程的統(tǒng)計(jì)平均值。研究噪聲一般采用長周

16、期測定其均方值(即噪聲功率)的方法，在數(shù)學(xué)上即用隨機(jī)量的起伏方差來計(jì)算。 對于平穩(wěn)隨機(jī)過程，通常采用先計(jì)算噪聲電壓(電流)的平方值，然后將其對時(shí)間作平均，來求噪聲電壓(電流)的均方值，即： 上式表示噪聲電壓(電流)消耗在1電阻上的平均功率通稱為噪聲功率。,34,二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性,噪聲的頻譜分布單位頻譜的噪聲功率 噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率譜密度Sn(f)在頻域積分得到。 如果Sn(f)與頻率無關(guān)，則對于一個(gè)具有帶寬f的探測系統(tǒng)： 白噪聲：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布 有色噪聲：1/f噪聲（紅噪聲），藍(lán)噪聲 相關(guān)性：完全不相關(guān)；部分相關(guān),35,三、光電探測器噪聲,在光

17、電探測器中固有噪聲主要有： 熱噪聲 散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲(gr噪聲) 溫度噪聲 噪聲。,36,1.熱噪聲,1）產(chǎn)生原因 熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的。任何一個(gè)處于熱平衡條件下的電阻，即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。 AB兩極間的電阻為R，在絕對溫度T時(shí)，體內(nèi)的電子處于不斷的熱運(yùn)動中，是一團(tuán)毫無秩序可言的電子運(yùn)動。,37,從時(shí)間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不會有電流通過AB。但是如果考慮流過S面的電子數(shù)的均方偏差，這樣在AB兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落。 2）度量 這一電壓漲落直到1928年才為瓊斯(Johnson)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。同時(shí)奈奎斯持(Nyquist)推導(dǎo)

18、出熱噪聲功率為： 式中k為玻爾茲曼常量， 為測量帶寬。 如用噪聲電流表示則為,38,通常也用熱噪聲電流(電壓)均方根值來進(jìn)行計(jì)算： 熱噪聲屬于白噪聲頻譜，一般說來，高端極限頻率為： fH015kT1013Hz 在室溫下(T290k)， fH61012Hz，一般電子學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠(yuǎn)低于該值，故可認(rèn)為熱噪聲為白噪聲頻譜。,39,例如：室溫條件下R1k的電阻，在 1Hz帶寬內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為4nV； 若工作帶寬為500kHz的系統(tǒng)，放大器增益為104，則在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV。 在微弱信號探測中，是一個(gè)不可忽視的量。 ？如何減小熱噪聲光電探測系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。 1）熱噪

19、聲功率與探測器工作溫度T的有關(guān)制冷。特別是對一些紅外探測器。 2）同時(shí)在滿足信號不失真的條件下，盡量縮短工作頻帶。,40,2散粒噪聲,1）產(chǎn)生原因 探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，所以稱為散粒噪聲。 存在于光電子發(fā)射器件、光生伏特器件。 電子管中任一短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的電子決不會總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落。,41,2）度量 從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為： 式中e為電子電荷， 為探測器工作帶寬。 在無光照時(shí)的暗電流噪聲功率為： 對于由光場作用的光輻射散粒噪聲： 式中IP為光輻射場作用于探測器產(chǎn)生的平均光電流。 3）特性 散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)， 熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，因而依賴于kT，而散粒噪聲直接起源于電子的粒子性，因而與e直接有關(guān)。,42,3產(chǎn)生復(fù)合噪聲,1）產(chǎn)生原因 半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲，亦稱g-r噪聲(generationrecombination nois