2 T 2 2 n 2
G为器件的热导
总结： 光探测器的噪声 1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声 实际的光电探测器所含的噪声种类及大 小，后面各章结合器件介绍。
§3-4 探测器的主要特性参数
主要特性参数：
1．光电特性 2. 量子效率 3. 灵敏度与光谱特性 4．等效噪声功率和比探测率 5．响应时间与频率特性
§3-3 探测器中的噪声
噪声的基本概念 噪声的表示方法 探测器噪声分类
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§3-3 探测器中的噪声
噪声的基本概念
信号平均值处有随机起伏－－含有噪声 例如： 放音机的噪声 激光器的噪声
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
2 nr
Δf
为测量的频带宽度
热噪声： 白噪声
§3-3 探测器中的噪声
2. 散粒噪声（Shot噪声） 光电探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作 用或热激发下引起光电子或载流子的随机起伏
i = 2qIΔf
2 ns
I为器件输出平均电流 散粒噪声：白噪声
§3-3 探测器中的噪声
3．产生－复合噪声 －－又称为g－r噪声 （Generation Recombination） 半导体器件中由于载流子的产生与复合而 引起的平均载流子浓度的随机起伏。 不完全是白噪声 gr噪声是光电导探测器的主要噪声来源。
Φmin
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
NEP = Φmin
I=
2 in
当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器 本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探 测器上的信号辐射通量称为等效噪声功率（简称 NEP）又称为最小可探测功率
§3-4 探测器的主要特性参数
1．光电特性
光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函 数关系。
例如：I=f（Ф） I=f（E） 例1：P107 光敏电阻的 光电特性 线性度-重要性
§3-4 探测器的主要特性参数 Nhomakorabea2、量子效率：
每秒产生的平均光电子 数 η (λ ) = 每秒入射波长为 λ 的光子数
探测器类型 光电导探测器（本征）
§3-3 探测器中的噪声
4．1/f 噪声 1/f 噪声通常又称为电流噪声 －－也称为闪烁噪声或过剩噪声
cI i = β Δf f
2 nf
α
机理目前尚不清楚
低频区： 1kHz以下
§3-3 探测器中的噪声
5．温度噪声 热探测器中由于器件本身吸收和传导等的 热交换引起的温度起伏
ΔW = G t = 4GkT Δf
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
§3-3 探测器中的噪声
探测器的噪声
1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声
§3-3 探测器中的噪声
1．热噪声(Johnson噪声)
热噪声是由于载流子的热运动而引起电流或电压 的随机起伏。
4 kT Δ f 2 i = ,u nr = 4 kT Δ fR R
（时域）
上限截止频率 或3dB带宽 （频域）
f HC =
1 2πτ
本章小结：（要点，课后自行总结）
1. 光学谱区： 0.01～1000μm 可见光谱区： 0.38～0.78μm 光辐射量度 －－辐射度量（电磁波谱） －－光度量（可见光谱区） 2. 半导体基础：导带Ec、价带Ev及二者之间的禁带Eg 本征半导体、P型半导体和N型半导体 费米能级Ef描述载流子的分布 本征吸收和杂质吸收；载流子寿命τ 3. 光电效应：光电导效应、光伏效应和光电子发射效应·······。 光子探测器，光电转换规律 4. 光探测器噪声：散粒噪声、热噪声、产生－复合噪声、 电流噪声（1/f噪声） 、温度噪声、 5. 光探测器特性参数：光电特性、灵敏度、噪声等效功率、响应时间
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
U (λ ) SU (λ ) = Φ (λ )
S
I (λ ) S I (λ ) = Φ (λ )
例1：人眼 光谱灵敏度
例2：硅光电器件 光谱灵敏度
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
I (λ ) S I (λ ) = Φ (λ )
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
NEP = Φmin
2 I = in
探测能力：探测器灵敏度 探测器噪声水平
方便测量
NEP =
5Φmin 5I / i
2 n
NEP =
2 in SI
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
SI 1 = ( W -1 ) D= 愈大愈好－－习惯 2 NEP in
I (λ ) / q η (λ ) = Φ ( λ ) / hν
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信 号能力的特性参数，又称为响应率。
U SU = Φ
I SI = Φ
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3. 灵敏度与光谱特性
灵敏度与量子效率
I ( λ ) qη q η S I (λ ) = = = λ Φ (λ ) hv hc
SI ( λ )
峰值波长λp 截止波长λ0
SImax
50％SImax
λ p λ0
光子探测器光谱特性曲线
λ
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
用单色光测量； 一般为曲线 例：P71 图4－11 用标准光源测量； 一般为具体数据
积分灵敏度：
SI
∫ S=
∞ 0
I = Φ
∫
∞
Φ (λ ) S (λ )dλ
0
Φ (λ )dλ
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性 光谱特性（曲线）
光谱响应 范围
峰值波长λp
截止波长λ0
§3-4 探测器的主要特性参数
η（％）
～60
光电导探测器（非本征） ～30 ～60 光伏探测器 ～10 光电子发射探测器
η < 100％
－－原因：反射、透射、散射等
2、量子效率： • 量子效率：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。 • 对理想的探测器，入射一个光量子发射一 个电子， η=1 • 实际上， η <1 • 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高 愈好。
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§3-3 探测器中的噪声
噪声的表示方法
用均方噪声
2 in
2 i n总
2 un
=
2 i n1
多个噪声源 （互不相关）
+
2 in2
+ ⋅⋅⋅ +
2 i nk
噪声功率谱
§3-3 探测器中的噪声
光电探测系统噪声：
D =
*
Ad Δf D =
Ad Δf = D
SI i /( Ad Δf )
2 n
cm ⋅ Hz /W
1/2
用单位带宽和单位面积的噪声电流来衡量探 测器的探测能力
§3-4 探测器的主要特性参数
5. 响应时间与频率特性
矩形光脉冲，响应出 现上升沿和下降沿 正弦型调制光，响应率 随频率升高而降低
τ－探测器响应时间