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关于噪声的基本知识
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噪声的基本知识
噪声的基本概念
光电探测器的噪声
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噪声的基本概念
光电系统是光信号的变换、●白噪声的定义：
噪声在整个频带内均匀分布的噪声
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●电阻器的热噪声等效模型 ：
一个实际的电阻R产生的热噪声电压，
可以用一个噪声电压源En和一个无噪声电阻R相串联的二端网络来表示；
或者用一个噪声电流源In与一个无噪声电阻R相并联的二端网络来表示。
R
（有噪声）
R（无噪声）
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例如：室温条件下R＝1kΩ的电阻，在带宽1Hz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103，。
在微弱信号探测中，这对于信号来讲是一个不可忽视的量。
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●所有的探测器都有热噪声，如何减小热噪声
的影响是光电探测系统的一个重要问题。
●降低探测器的工作温度T
在低温工作的探测器其热噪声将大大减小，
特别是一些响应于远红外波段的探测器，
为了降低热噪声，将探测器置于液氦(4K)、
液氮(77K)的深冷状态。
●在信号不失真的条件下，压缩工作频带。
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2．散粒噪声
●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。
●散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器件中。
●从阴极发射电子过程来看，它们是完全无规则的。任一短时间τ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。
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●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， Δ f 为探测器工作带宽。
如果I是探测器的暗电流Id，则探测器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
也可直接写为：
IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。
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●散粒噪声也是白噪声，与频率无关，
但是它与热噪声的根源不同，
热噪声起源于热平衡条件下大量电子的无规则热运动，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。
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3．产生—复合噪声
●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，
但二者的具体表达式略有不同。
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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，
Δ f 为探测器的工作带宽，

为光电导探测器的内增益，
是载流子平均寿命τ0和渡越时间τd的比值。
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4．温度噪声
●温度噪声主要存在于热探测器中。
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。它最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。
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●理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：

式中：G为探测器的热导，
k为玻尔兹曼常量，
T为探测器工作温度，
Δ f 为探测器的工作带宽。
由上式可见，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。
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5．电流噪声—— 1/ f 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：
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，——，近似取1
b与流过器件的电流I有关，通常取值2；