光电探测器的物理基础性能指标噪声

1 3.1.3 光电探测器的性能参数 光电系统一般都是围绕光电探测器的 性能 进行设计 的 ， 而探测器的性能由 特定工作条件 下的一些参数来 表征 。 实际参量 参考参量 测量条件 2 一、光电探测器的工作条件 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关 ， 在给出性能参数时 ， 要注明有关的工作条件 。 这一 点很重要 ， 因为只有这样 ， 光电探测器才能 互换使 用 。 主要工作条件有： 1 辐射源的 光谱分布 2 电路的 通频带和带宽 3 工作温度 4 光敏面尺寸 5 偏置情况 3 1.辐射源的光谱分布 很多光电探测器（特别是光子探测器），其响 应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内 的辐射有信号输出，称为 光谱响应 ，它决定了 探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测 器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用 辐射源的光谱分布。 如果辐射源是单色辐射，则需给出 辐射波长 。 假如辐射源是黑体，那么要指明 黑体的温度 。 当辐射经过调制时，则要说明 调制频率 。 4 2.电路的通频带和带宽 因噪声限制了探测器的极限性能 (后面将详细讨论 )。 噪声电压或电流均 正比于带宽的平方根 ， 有些噪声 还是频率的函数 。 在描述探测器的性能时 ， 必须明确 通频带和带宽 。 5 3.工作温度 许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测 器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密 切关系，所以必须 明确工作温度 。 通用的工作温度 是： 室温 (295K)、 干冰温度 (195K)、 液氮温度 (77K)、 液氢温度 (20.4K) 液氦温度 (4.2K) 6 4.光敏面尺寸 探测器的 信号 和 噪声 都和光敏面积有关 ，大部分探 测器的信噪比与 光敏面积的平方根成比例 。 参考面积一般为 1cm2。 7 5.偏置情况 大多数探测器需要某种形式的偏置 。 例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流 偏置电源 信号和噪声往往与偏置情况有关 ， 因此要 说明 偏置的情况 。 此外，对于 受背景光子噪声限制 的探测器，应 注明 光学视场 和 背景温度 。 对于 非密封型的薄膜探测器 ，要 标明湿度 。 8 二、有关响应方面的性能参数 1.响应率 (或称响应度 )Rv或 RI 2.单色灵敏度 3.积分灵敏度 4.响应时间 5.频率响应 6.光谱响应 9 1.响应率 (或称响应度 )Rv或 RI 1） 响应率是 描述探测器灵敏度 的参量 。 它表征探 测器 输出 信号 与 输入 辐射 之间关系的参数 。 又称 为光电探测器的 灵敏度 。 2） 定义：光电探测器的输出均方根电压 Vs或电流 Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比 。 Rv Vs s RI is s 分别称为光电探测器的 电压响应率 和 电流响应率 。 3）测量响应率的辐射源一般是 500K的黑 体 。 4） 单色灵敏度 和 积分灵敏度 。 10 2单色灵敏度 1）如果使用波长为 的单色辐射源，则称为单色响应率或 单色灵敏度 ，又叫 光谱响应度 ，用 R 表示， 2）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测 器上单色辐射通量 (光通量 )之比。 (V/W) (A/W) 式中 ， () 为入射的单色辐射通量或光通量 。 如果 () 为光通量 ， 则 Rv 的单位为 V lm。 ()V VsR () s I IR 11 3.积分灵敏度 积分灵敏度 表示探测器对 连续辐射通量 的反应 程度 。 对包含有各种波长的辐射光源 ， 总光通 量为： 光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量 之比称为积分灵敏度 。 d)( 0 12 由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐 射引起的 ， 所以输出光电流为： 可得积分灵敏度为： 式中， 、 分别为光电探测器的 长波限 和 短波限 。 由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同 一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提 供数据时 应指明采用的辐射源及其色温 。 00 11 ( ) ( ) ( )ssI I d R d 0 1 0 1 )( )( d dR R 0 1 13 4.响应时间 1）响应时间是描述光电探测器对 入射辐射 响应快慢 的一个参数。 2）当入射辐射到光电探测器后或 入射辐射遮断后，光电探测器的 输 出上升到稳定值 或 下降到照射前的 值 所需时间称为响应时间。常用 时 间常数 的大小来表示。 当用一个辐射脉冲照射光电探测器， 如果这个脉冲的上升和下降时间很 短，如方被，则光电探测器的输出 由于 器件的惰性 而有延迟，把从 10 上升到 90峰值处所需的时间称 为探测器的 上升时间 ，而把从 90 下降到 10处所需的时间称为 下降 时间 。 14 5.频率响应 入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响 。 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为 频 率响应 。 利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调 制频率的关系 ， 其表达式为： 为频率是 时的响应度； R0为频率是零时的响应度； 为时间常数 。 当 时 ， 可得放大器 的 上限截止频率 显然，时间常数决定了光电探测 器频率响应的带宽。 2 1 2 0 )2(1 )( f RfR )(fR f 707.021)( 0 R fR 1 2f 上 15 6.光谱响应 1）定义： 不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的 响应率 和 比探测率 等特性参量 随 光辐射波长 变化 的特 性。 2）单色灵敏度和单色探测率， 峰值波长 3） 光子探测器 的光谱响应 与波长有关， 截止波长 4） 热探测器 的光谱响应 与 波长无关 ，与辐射功率有关。 16 三、有关噪声方面的参数 从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不 管它的功率如何小，都可探测出来。但当 入射功率 很低 时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法 肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器 不好引起的，而是它所 固有的“噪声” 引起的。 如果对这些随时间而起伏的 电压 (流 )按时间取平均 值，则 平均值等于零 。但这些值的 均方根不等于零 ， 这个均方根电压 (流 )称为 探测器的噪声电压 (流 )。 17 1.信噪比 (S N) 1） 作用：判定噪声大小 。 2） 表示：在负载电阻 RL上产生的 信号功率与噪声功率之比 ： 分贝 (dB)表示： 3）注意 利用 S N评价两种光电探测器性能时， 必须在信号辐射功率 相同的情况下 才能比较。 对单个光电探测器，其 S/N的大小与入射信号辐射功率及接收 面积有关。如果入射辐射强，接收面积大， S/N就大，但性能 不一定就好。因此用 S/N评价器件有一定的 局限性 。 2 2 2 2 N s LN Ls N s I I RI RI P P N S N S N S dB I I I I N S lg20lg10)( 2 2 18 2.噪声等效功率 (NEP) （最小可探测功率 Pmin） 1） 定义 为信号功率与噪声功率之比为 1(即 S N 1)时 ， 入射到探测器上的 辐射通量 (单位为瓦 )。 一个良好的探测器件的 NEP约为 10-11W。 NEP 越小，噪声越小，器件的性能越好。 应指明测量条件，如 光谱分布 、 频率、温度等 。 2）作用： 确定光电探测器件的探测极限 。 NSN E P e / 19 3探测率 D与比探测率 D* 只用 NEP无法 比较两个不同来源的光探器 的优劣 。 引入两个新的性能参数 探测率 D和比探测率 D* 1） 探测率 D定义为 NEP的倒数 ， 即 它描述的特性是： 光电探测器在它的噪声电平之上 产生一个可观测的电信号的本领 ， 即光电探测器能响 应的入射光功率越小 ， 则其探测率越高 。 探测率 D与 光敏面积 Ad、 测量带宽 有关 。 /1 NVs VD N EP 20 2） 比探测率 D* 为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较 ， 将 VN除以 ， 则 D就与 Ad和带宽无关了 。 也就是归 一化到 测量带宽为 1Hz、 光探测器 光敏面积为 1cm2。 这种归一化的探测率一般称为比探测率 ， 通常用 D* 记之 。 根据定义 ， D*的表达式为 : fAd )( 121 WHzcm/* SN d VVD A f 21 4暗电流 Id 光电探测器在 没有输入信号和背景辐射时 所流过的电 流（加电源时）。 一般测量其直流值或平均值。 22 四、其他参数 1.量子效率 （ ） 2.线性度 23 1.量子效率 （ ） 1） 量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数 ， 它 是在 某一特定波长 上 每秒钟内产生的光电子数 与 入射光 量子数之比 。 单个光量子的能量为 ， 单位波长的辐射通量为 波长增量 内的辐射通量为 在此窄带内的辐射通量 ， 换算成量子流速率 N为 : 量子流速率 N即为每秒入射的光量子数。 hch e d de hc d h dN ee 24 若 IS为信号电流 ， e为电子电荷 ， 每秒产生的光电子数为： 量子效率为： 2）讨论 入射 一个光量子就能发射一个电子或产生一 对电子一空穴对 ； 实际上， 。一般反映的是入射辐射与最初的光 敏元的相互作用。 对于 有增益的光电探测器 (如光电倍增管等 )，会远 大于 1，此时我们一般使用 增益 或 放大倍数 这个参数。 SeI R d ee /() SI e R hc Ne ( ) 1 ( ) 1 25 2.线性度 1） 定义 描述探测器的 光电特性 或 光照特性曲线 中 输出信号 与输入信号保持线性关系的程度 。 即在规定的范围 内 ， 探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性 能 。 2） 线性区 在规定的范围内 ， 若探测器的 响应度是常数 ， 这 一规定的范围称为线性区 。 光电探测器线性区的大小与 探测器后的电子线路 有很大关系 。 线性区的下限一般由器件的暗电流和 噪声因素决定 ， 上限由饱和效应或过载决定 。 光电探测器的线性区还随 偏置 、 辐射调制及调制 频率 等条件的变化而变化 。 26 3） 线性度的 度量 线性度是辐射功率的复杂函数 。 是 指器件中的实 际响应曲线接近拟合直线的程度 ， 通常用 非线性误 差 来度量： 式中 max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大 误差； I2、 I1分别为线性区中的最小和最大响应值 。 在 光电检测技术 中 ， 线性度是应认真考虑的问题 之一 ， 应结合具体情况进行选择和控制 。 12 max II 27 例：已知某探测器的面积为 3 4cm2 ， D*=1011cmHz1/2w-1， 光电仪器的带宽为 300Hz， 该仪 器所能探测的光辐射的 最小辐射功率 ？ 解：由 D*的定义： 当 Vs/VN=1时 ， 得到最小探测功率 ， 所以： 其 中 ： Ad=3 4cm2 ， D*=1011cmHz1/2w-1 ， =300Hz 代入 ， 得该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功 率 min=6 10-10W /* SN d VVD A f m in 1* dD A f 28 3.1.4 光电探测器的噪声 噪声问题 光电探测系统实际上是光信号的变换、传输及处理 的系统。它除了包含光探测器外，还配有电子学系统 (例如低噪声前置放大器等 )、光学系统 。因此，系统 在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信 号的成分统称为噪声。 主要噪声源 ： 1）光电变换 器件 中光电子随机起伏的干扰； 2）辐射光场在传输过程中受到 通道 的影响 3） 背景光 的干扰； 4） 放大器 引入的干扰等等。 29 广义上讲，任何叠加在信号上的不希望的随机扰 动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自 两方面： (1)来自被研究系统的 外部 (2)来自被研究系统 内部 探测器 噪 声 光子噪声 电路噪声 一、光电系统中的噪声 30 (1)来自被研究系统的外部 通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这 种干扰绝大多数是 “ 人为的 ” ，如 电源 50H z干扰 ； 工业设备电火花干扰 等。 但这种干扰多 具有一定规律性 。 采取适当的措施 (如屏蔽、滤波、远离噪声源等 ) 可以将其 减小或消除 。 31 (2)来自被研究系统内部 来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理 过程的 自然扰动 。 例如： 导体中带电粒子无规则运动引起的 热噪声 ， 光探测过程中光子计数引起的 散粒噪声 等。 这些过程是 随机过程 ，它既不能预知其精确大小 及规律。 不能完全消除 ，但可以得知其遵循的统计规律、 也 可以 通过一些措施予以 控制 。 32 噪声影响对信号特别是 微弱信号 的正确探测。 一个光电探测系统的 极限探测能力 往往由探测系统 的噪声所限制。 所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域， 减小和消除噪声是十分重要的问题。 33 噪声的度量 噪声是一种 随机信号 ， 它实质上就是物理量围绕其平均值的涨 落现象 。 任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的 统计平均 值 。 研究噪声一般采用 长周期测定其均方值 (即噪声功率 )的方法 ， 在数学上即用随机量的起伏方差来计算 。 对于 平稳随机过程 ， 通常采用先计算噪声电压 (电流 )的平方值 ， 然后将其对时间作平均 ， 来求噪声电压 (电流 )的均方值 ， 即： 上式表示噪声电压 (电流 )消耗在 1 电阻 上的平均功率通称为噪 声功率 。 22 )( tuU nn 22 )( tii nn 34 二、噪声的功率谱密度和相关性 噪声的频谱分布 单位频谱的噪声功率 噪声功率（电压、电流）可由 噪声功率谱密度 Sn(f)在 频域积分得到。 如果 Sn(f)与频率无关，则对于一个具有带宽 f的探测 系统： 白噪声 ：平坦频率特性，噪声特性为正态高斯分布 有色噪声 ： 1/f噪声 （红噪声）， 蓝噪声 相关性： 完全不相关 ； 部分相关 2 ()nni S f f 35 三、光电探测器噪声 在光电探测器中 固有噪声 主要有： 热噪声 散粒噪声 产生复合噪声 (g r噪声 ) 温度噪声 噪声。 f 1 36 1.热噪声 1） 产生原因 热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运 动引起的 。 任何一个处于 热平衡条件 下的电阻 ， 即使没有外加电压 ， 也都有一定量的噪声 。 AB两极间的电阻为 R， 在绝对温度 T时 ， 体内的 电子处于不断的热运动中 ， 是一团毫无秩序可言 的电子运动 。 A B S 37 从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不 会有电流通过 AB。但是如果考虑 流过 S面的电子数的 均方偏差 ，这样在 AB两端就应出现一 电压涨落 。 2） 度量 这一电压涨落直到 1928年才为琼斯 (Johnson)的实验所 证实。同时奈奎斯持 (Nyquist)推导出 热噪声功率 为： 式中 k为玻尔兹曼常量 ， 为测量带宽 。 如用 噪声电流 表示则为 fRkTU nJ 42 f R fkTi nJ 42 38 通常也用 热噪声电流 (电压 )均方根 值来进行计算： 热噪声属于 白噪声频谱 ， 一般说来 ， 高端极限 频率 为： fH 0 15kT 1013Hz 在室温下 (T 290k)， fH 6 1012Hz，一般电子 学系统工作频率远低于该值，故可认为热噪声为 白噪声频谱。 2/1 2 4 R fkTi nJ 2/12 4 fRkTU nJ 39 例如：室温条件下 R 1k 的电阻 ， 在 1Hz带宽 内的均方根热噪声电压值约为 4nV； 若工作带宽为 500kHz的系统 ， 放大器增益为 104， 则 在放大器输出端的热噪声均方根电压约 28mV。 在 微弱信号探测 中 ， 是一个不可忽视的量 。 ？ 如何减小热噪声 光电探测系统的一个重要问题。 1）热噪声功率与探测器工作温度 T的有关 制冷 。 特别是对一些红外探测器。 2）同时在满足信号不失真的条件下，尽量 缩短工作频 带 。 f 40 2散粒噪声 1） 产生原因 探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发 下 ， 光电子或光生载流子的随机产生 所造成的 。 由于随 机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的 ， 所以称为 散粒噪声 。 存在于 光电子发射器件 、 光生伏特器件 。 电子管 中任一短时间 内发射出来的电子决不会总是 等于平均数，而是 围绕这一平均数有一涨落 。 41 2） 度量 从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为： 式中 e为电子电荷， 为探测器工作带宽。 在无光照时的暗电流噪声功率为： 对于由光场作用的光辐射散粒噪声： 式中 IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流 。 3） 特性 散粒噪声也是 白噪声 ， 与频率无关 ， 热噪声起源于 热平衡条件下电子的粒子性 ，因而依赖于 kT，而 散粒噪声 直接起源于电子的粒子性 ，因而与 e直接有关。 fIein 22 f feIi dnd 22 feIi pnp 22 42 3产生 复合噪声 1） 产生原因 半导体中由于载流子 产生与复合的随机性 而引起的 平均载流子浓度的起伏 所产生的噪声称为产生 复 合噪声 ， 亦称 g-r噪声 (generation recombination noise)。 g-r噪声主要存在于光电导探测器中 。 g-r噪声与前面介绍的散粒噪声 本质是相同的 ， 都 是由于载流子数随机变化所致 ， 所以有时也把这种 载流子产生和复合的随机起伏引起的噪声归并为散 粒噪声 。 43 2） 度量 除了考虑载流子由于吸收光受到激发产生的载流子数的随机起 伏外 ， 还要考虑到载流子在运动过程个 复合的随机性 。 经理论 推导 g r噪声的表达式为： 式中， e为电子电荷， 为平均电流， 为探测器的工作带宽 ， 为光电导探测器的 内增益 ，它是载流子平均寿命 0和渡 越时间 d的比值。 fMIei rng 42 I f d M 0 44 4温度噪声 1） 产生原因 热探测器通过 热导 G与处于恒定温度的 周围环境交换热能 。 在无辐 射存在时 ， 尽管热探测器处于某一平均温度 T0， 但实际上热探测器 在 T0附近呈现一个小的起伏 ， 这种 温度起伏引起的 热探测器输出起 伏称为温度噪声 。 2） 度量 理论推导 ， 热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为： 温度噪声功率 与热导成正比 ，与探测器 工作温度的平方成正比 。 温度噪声 主要 存在于热探测器 中。它 最终限制了热探测器所探测 的最小辐射能量 。 fG k TW T 22 4 45 5电流噪声 ( 噪声 ) 目前对 1 f噪声的 成因尚未完全清楚 ， 但通常认为它是由半导体 的表面电流所引起的故又称为电流噪声 。 特点是 噪声功率谱密度与频率成反比 。 电流噪声的均方值可用经 验公式表示为： 式中 k1为比例系数 ， 与探测器制造工艺 、 电极接触情况 、 半导体 表面状态及器件尺寸有关； a为与材料有关的常数 ， 通常在 0.8 1.3之间 ， 大多数材料可近似取为 1； b与流过器件的电流 I有关 ， 通常取值 2； 主要出现在 lkHz以下的低频区 。 f/1 a b nf f fIki 1 2