4.3 光电探测器的噪声
光电传感器中的噪声特性分析与优化研究
光电传感器中的噪声特性分析与优化研究光电传感器是一种利用光电效应和光学器件将物理量转化为电信号进行检测和测量的装置，广泛应用于机械制造、电力工业、医疗技术、环境监测等领域。
在实际应用中，由于环境、电路和器件等因素的影响，光电传感器测量结果会受到各种噪声的影响，影响其精度、灵敏度和稳定性，因此必须对光电传感器的噪声特性进行分析和优化研究，以提高其测量精度和可靠性。
1、光电传感器中的噪声种类在光电传感器中，常见的噪声包括热噪声、暗电流噪声、光电转换器件本身的噪声、外部电磁干扰噪声等。
热噪声是由于器件中存在导电材料，在热激发下产生的自身噪声，可用热电偶测量。
热噪声的大小与温度、器件结构和导电材料的性质等有关。
暗电流噪声是由于光电传感器中的光电转换器件在不受光照的情况下依然会产生电流，是由于半导体材料中的载流子在温度或缺陷激发下自由运动产生的。
光电转换器件的噪声指的是由于器件结构或制造工艺等原因导致的器件本身输出电压的随机变化。
例如，光电二极管中的PN结存在非理想特性，会产生散粒噪声，噪声的大小与工艺质量有关。
外部电磁干扰噪声是指由于周围环境中很多电磁波辐射源的作用，噪声通过感应耦合、辐射耦合等方式影响传感器的输出。
2、噪声特性分析方法以胶片式光电编码器为例，介绍噪声特性分析方法。
从理论上，噪声可以看成一个随机变量，假设其符合正态分布，则可以通过对大量测量数据的统计分析来确定其噪声的均值、方差、峰峰值等统计特征参数。
同时，可以通过功率谱分析方法对噪声特性进行分析，在频域上研究噪声信号的频谱分布，定量描述其功率和谱线特征等。
具体地，可以通过将光电编码器接入入射激光、旋转台等实验平台，在实验室里测量不同工作条件下的输出电压，并测量噪声的幅度、频谱、分布等，对这些数据进行统计分析，研究噪声特性的规律和特征。
3、噪声特性优化方法噪声特性优化方法主要目的是通过控制、消除、减小源头噪声和采取合适的信号处理手段来提高测量系统的信噪比和可靠性。
光电探测器中的噪声抑制方法研究
光电探测器中的噪声抑制方法研究一、前言光电探测器是众多高科技领域中不可或缺的重要组成部分，其在光通信、光学成像、光谱分析等领域中均有广泛应用。
然而，在实际应用中，由于光电探测器内部存在噪声，将影响其灵敏度、信噪比等性能指标，从而限制了其进一步发展和应用。
因此，研究光电探测器中的噪声抑制方法势在必行。
二、光电探测器中的噪声来源及分类在了解光电探测器中的噪声抑制方法之前，我们需要先了解光电探测器中的噪声来源及分类。
一般来说，光电探测器中的噪声来源主要有四种：1.热噪声：由于光电探测器材料内部存在自由电子，它们在温度的作用下会自发地产生运动，形成电子热噪声。
2.暗电流噪声：当没有光照射到光电探测器感光面时，由于材料内部的本征缺陷、自由载流子复合等原因，会形成暗电流，产生暗电流噪声。
3.光敏噪声：主要源于光电探测器感光面的非均匀性或材料的局部不稳定性等因素。
4.外界电磁噪声：由于周围环境中存在各种电磁干扰源，如电源、通信设备等，这些源会通过电磁波的方式影响光电探测器的工作，产生外界电磁噪声。
根据噪声的源头不同，可以将光电探测器中的噪声分为内在噪声和外在噪声。
三、光电探测器中的噪声抑制方法为了降低光电探测器中的噪声，提高其性能指标，我们需要采取一些噪声抑制方法。
1.温度控制由于光电探测器内部的热噪声是温度相关的，因此要控制光电探测器的温度，保证在一定温度范围内稳定工作。
这种方法适用于较小的光电探测器，如光电二极管等。
2.深度冷却对于大型、高性能的光电探测器，如CCD等，温度控制往往不能满足要求。
这时候，可以采用深度冷却技术，将探测器冷却到低温状态，降低热噪声的影响。
3.背景抑制在某些实际应用中，由于背景光比信号光强度高很多，容易受到背景光的影响而产生噪声。
因此，采取背景抑制技术能够有效地减小背景光对光电探测器的影响。
4.信号滤波在光电探测器中，由于存在各种原因，如器件本身噪声和外界噪声等，会产生高频噪声和低频噪声。
光电探测器中的噪声建模与分析
光电探测器中的噪声建模与分析光电探测器噪声建模与分析是光电探测技术中一个重要的研究领域。
光电探测器的噪声源主要包括热噪声、暗电流噪声、光电噪声和电子学噪声等，这些噪声会对光电探测器的性能和灵敏度产生重要影响，因此对其噪声进行建模与分析具有重要意义。
首先，热噪声是光电探测器中的一个主要噪声源，它由于光电探测器内部的电阻产生。
根据热噪声的统计特性，可以将其建模为高斯分布，其功率谱密度与温度和电阻值有关。
暗电流噪声是光电探测器中的另一个重要噪声源。
暗电流是在光电探测器中没有光照射的情况下产生的，主要由于光电探测器材料内部的杂质和缺陷引起。
暗电流的大小与杂质和缺陷的数量和本质有关，通常其分布也可以近似为高斯分布。
光电噪声是由于光的量子特性引起的噪声，它是由光子到达探测器所引起的不确定性造成的。
根据光的统计特性，光电噪声可以建模为泊松分布。
光电噪声的功率谱密度与光强度和波长相关。
在噪声分析中，常用的方法包括频谱分析和统计分析。
频谱分析能够研究噪声的功率谱特性，可以通过傅里叶变换将时域的噪声信号转换为频域信号，并得到功率谱密度。
而统计分析则可以通过概率密度函数、均值、方差等统计量来描述噪声的分布特性。
对于光电探测器噪声的建模与分析，研究人员可以通过实验和理论推导来获取噪声数据，并基于所得数据进行噪声分析。
此外，人们还可以通过改进器件结构和材料、优化电路设计等方式来降低噪声水平，提高探测器的性能。
总之，光电探测器的噪声建模与分析是光电探测技术中重要的研究内容。
噪声对于光电探测器的性能和灵敏度具有重要影响，因此对其进行建模与分析有助于深入理解噪声的特性并采取相应的措施进行噪声的抑制与改善。
光电探测器的噪声
f
3.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 •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。
5. 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：
WT2 4GkT 2 f
• 热噪声属于白噪声频谱
4. 1/f 噪声 1）产生原因
1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质 的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微 电爆脉冲。 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约 1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故 称为低频噪声或1/f 噪声。 实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这 种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这 种噪声就可以防止。
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中复合的随机性。经理论 推导g—r噪声的表达式为：
2 ing r 4e I Mf
光电探测器的噪声特性分析
光电探测器的噪声特性分析哎呀，说起光电探测器的噪声特性，这可真是个有趣又有点复杂的话题。
咱们先来讲讲什么是光电探测器哈。
简单说，它就像是我们的眼睛，能“看到”光并且把光的信息转化成电信号。
但是呢，这“眼睛”可不完美，它会受到各种噪声的干扰。
比如说，有一种噪声叫热噪声。
这就好像在一个热闹的集市里，人来人往，吵吵闹闹。
热噪声就是由于电子的无规则热运动产生的，它跟温度有关系。
温度越高，这“吵闹声”就越大。
还有散粒噪声，这玩意儿就像是一群调皮的小孩子，一会儿蹦跶这儿，一会儿蹦跶那儿，毫无规律。
它是由电子的离散性造成的，电流越大，这“调皮劲”就越明显。
我给您讲个事儿啊。
有一次，我在实验室里研究光电探测器。
我把各种参数都调整得自认为很完美了，满心期待能得到理想的结果。
可结果出来的时候，我傻眼了，数据乱得一塌糊涂。
我当时就纳闷了，这是咋回事呢？后来经过仔细排查，发现就是这些噪声在捣乱。
我这才深刻体会到，要想真正搞清楚光电探测器的噪声特性，还真不是一件容易的事儿。
那怎么来分析这些噪声特性呢？这就得从它们的产生机制、频率特性、幅度分布这些方面入手。
比如说，通过测量不同温度下的噪声，就能了解热噪声是怎么随温度变化的。
在实际应用中，了解光电探测器的噪声特性可太重要了。
比如说在通信领域，如果噪声太大，那信号就可能被淹没，咱们打电话、上网就会变得断断续续，甚至根本没法用。
在天文观测中，要是噪声太大，那些微弱的天体信号可能就被掩盖了，咱们就没法发现新的天体。
总之，光电探测器的噪声特性就像是一个隐藏在幕后的小捣蛋鬼，时不时地出来给我们找麻烦。
但只要我们用心去研究它，了解它，就能想办法把它的影响降到最低，让光电探测器更好地为我们服务。
所以啊，朋友们，别小看这小小的光电探测器的噪声特性，这里面的学问可大着呢！咱们可得好好琢磨琢磨，才能让它乖乖听话，为咱们的科技发展贡献力量。
光电探测器中的噪声分析与控制研究
光电探测器中的噪声分析与控制研究光电探测器是一种将光信号转换为电信号的电子元件，其具有快速响应、高检测灵敏度、易于集成等优点，在广泛的应用领域中都有着不可替代的地位。
但是，由于其内部存在各种噪声源的干扰，其检测精度会受到一定程度的影响，因此噪声分析与控制成为了光电探测器研究的重要内容之一。
一、噪声源与分析光电探测器中存在的噪声源包括热噪声、暗电流噪声、光电转换噪声和接触噪声等。
其中，热噪声是由于温度引起的电子热运动造成的，其大小与电阻、温度、带宽等因素密切相关。
暗电流噪声则由于探测器内部的杂散电荷电子或杂质电离子引起的，其大小与探测面积、温度等因素有关。
光电转换噪声是由于探测器的光电转换过程中引入的噪声，其大小与光功率、暗电流等因素有关。
接触噪声则是由于探测器的接触电阻发生的涨落效应，其大小与电压、电流等因素有关。
在噪声源的分析方面，通常采用功率谱密度分析法。
该方法将信号分解为各个频率的功率，通过功率分布区间的比较分析，可以判断哪个频率段的噪声源对信号的干扰更为严重，从而确定对应的处理方法。
二、噪声控制方法针对不同的噪声源，光电探测器的噪声控制方法也存在着差异。
以下是一些常见的噪声控制方法：1. 热噪声控制：降低电阻值、降低运放噪声、增大传感器体积等。
2. 暗电流噪声控制：降低温度、增强探测器的表面电势等。
3. 光电转换噪声控制：选择合适的光源、提高光栅效率等。
4. 接触噪声控制：探测器的电极自对准可以减小接触噪声，电极表面金属镀层可以降低噪声。
此外，噪声控制还可以通过信号处理和系统优化等方法实现，例如使用滤波器、差分放大电路等增强信号的有效部分，或者通过系统布局、防抖动设计等措施，降低噪声对整个系统的影响。
三、应用案例噪声分析与控制在光电探测器的各个应用领域中都有着重要的意义。
以生命科学领域中的多色荧光成像技术为例，该技术需要选取适当的探测器，以保证能够同时识别多种颜色的荧光信号。
如果探测器的噪声干扰较大，就会导致成像质量下降。
光电探测器的噪声 ppt课件
实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这 种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。
一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这
种噪声就可以防止。
光电探测器的噪声
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2）度量
•电流噪声的均方值可用经验公式表示为：
in2f
k1
I bf fa
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—
7
2）度 从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：
in2 2eIf
式中e为电子电荷，f 为探测器工作带宽。
•在无光照时的暗电流噪声功率为：
in2d 2eIdf
•对于由光场作用的光辐射散粒噪声：
in2p 2eIpf
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，
in2 [in(t)]2
上式表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的平均功率通称为噪
声功率。
光电探测器的噪声
3
N（f）
噪声功率谱N（f）： 表示噪声功率随频率 的变化关系
0
光电探测器的噪声
白噪声
1/f噪声
f
4
3.按噪声产生的原因，可分为以下几类
人为噪声
外部原因 自然噪声
有形噪声 （可以预知，可设法减小和消除）
—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。
光电探测器的噪声
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5. 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。
光电探测器噪声降低方法研究
光电探测器噪声降低方法研究随着科技的发展，现代社会对于光电探测器（photodetector）的应用需求越来越高，例如在通讯、医疗、能源、环保等领域，其广泛使用已成为现实。
但是，光电探测器的性能受到噪声的影响，主要包括热噪声、暗电流噪声和光电流噪声等。
为了提高光电探测器的工作效果，研究者开展了许多关于光电探测器噪声降低的研究。
本文将介绍几种常见的光电探测器噪声降低方法。
一、热噪声降低方法热噪声是光电探测器中最常见的噪声之一，它是由于探测器每一电路元件内部存在着热运动引起的。
因此，热噪声降低的方法主要就是减少或控制探测器内部的温度。
一般来讲，探测器温度越低，热噪声就会越小，因此，最简单的降低热噪声的方法就是将探测器冷却，或者采用低噪声放大器等电路来处理热噪声。
二、暗电流噪声降低方法暗电流指的是在不受光照的情况下，光电探测器产生的固有电流。
因此，暗电流噪声就是由暗电流引起的噪声。
暗电流噪声是受用于光电探测器的电压和温度影响的，而其中的一个主要原因是杂质生成的电子在光电探测器内部不断泄漏，从而产生了暗电流。
减小或控制对暗电流噪声的影响是关键。
降低暗电流噪声的方法有很多，其中一种常用的方法是在探测器中添加一个极薄的夹层。
这个夹层具有能隙，在整个探测器中起到阻止暗电流流动的作用，从而降低暗电流噪声。
除此之外，还有一种常见的方法是采用逆偏压，这能够减少暗电流，增加探测器的响应时间，提高灵敏度，从而降低了暗电流噪声。
三、光电流噪声降低方法光电流噪声是由于光引起的电子在输运过程中碰撞与热运动产生的随机极微小的波动引起的。
与上述两种噪声相比，光电流噪声较为难以降低。
光电流噪声包含两种不同的噪声，分别是光电子噪声和电荷噪声。
对于光电子噪声，可以通过添加一个高斯白噪声（Gaussian white noise）来进行降低，这能够使探测器的信号更加平稳，从而提高信噪比。
对于电荷噪声，一个常见的方法是增加工作电压。
由于探测器的工作电压与电荷噪声之间有很大的关系，增加工作电压能够使电荷噪声降低，但同时会使暗电流噪声增加，应选择合适的电压。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.3光电探测器的噪声
二、噪声的描述
un(t) 0 t g(0) g(t )
0
(a) (b)
t
噪声电压随时间无规则起伏情况。 显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其 时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。
显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。 为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是 引入噪声电压的自相关和功率谱。
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自相关定义为： g (t ) lim 1 T 2T
(4)
式中 u n2 表示噪声电压平方的平均值， 它的物理意义：噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率。 同样，在(3)式中令t＝0，则有：
1 2 g (0) u n g ( ) d 2 式中使用了 2f 的关系。
g ( f )df
(5)
为了表述得更清楚一些，还可以从(4)式出发，并令
T
T
u n (t )u n ( )d
(1)
意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间平均值。 显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即
g(t ) g(0)
g ( )
g (t )e jt d
(2)
1 g ( t ) 0 t 2 在自相关定义中，令t＝0，则
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按噪声产生的原因，可分为以下几类 人为噪声 外部原因 自然噪声 散粒噪声 产生－复合噪声 内部原因 光子噪声 热噪声 低频噪声 温度噪声 放大器噪声
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噪声
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u n ( f ) df
2
(6)
比较(5)和(6)式，就有 g ( ) un ( ) 2 g ( f ) u ( f ) 或 n 它们是单位频带噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率，称为 噪声电压的功率谱。 实际上，探测器的测量带宽是有限的，用Δf表示，那么当g( f ) ＝常数(这种噪声又称为白噪声)时: 2 g (0) u n 2 g ( f )f 于是，求噪声 u n2 或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的 问题了.
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u n ( ) u n (t )e jt dt
1 jt u n (t ) u ( ) e d n 2 成立的条件是un(t)绝对可积，即
u n (t ) dt
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2.产生－复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。电子 和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复 合过程，而复合过程本身也是随机的。 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合 的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强 调产生和复合两个因素，取名为产生—复合散粒噪声，简称为 产生—复合噪声，记为Ig-r和Vg-r即
2
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三、光电探测器的噪声源
依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致 分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声。 是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除 的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到 导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件， 是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的， 所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号 较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。
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但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时 间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即
2 u n (u n (t )) 1 2
这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。 虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其方均根电 压却具有确定值。 这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。 由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此 独立，所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即
1 2
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4.热噪声
电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子 数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏 电动势。 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪 声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而 引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。 可以证明，单个电子的噪声贡献为
g ( )e jt d
(3)
1 g (0) lim T 2T
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T
T
2 2 un ( )d u n
(4)
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1 g (0) lim T 2T
T
T
2 2 un ( )d u n
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光
探 测 器
放 大 器
示波器
(Hale Waihona Puke )当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正 弦变化的信号电压波形 。 降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电 压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊 不清(图(b))。 再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小， 而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则 的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完 全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光 信号的能力。
2 * un ( ) u n ( ) u n ( )
再应用付里叶变换对，可以证明：
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1 g (0) u 2
2 n
1 2 1 2 u ( ) d lim u n ( ) d n T 2T 2
2 2e2 0 KT i1 ( ) md 2 2
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2e2 02 KT i1 ( ) md 2
2
K是波尔兹曼常数，T为绝对温度，m是电子质量，τ0 为电子的平均碰撞时间 。 浓度为n，体积V＝Ad的电阻样品中共有nV个电子， 它们产生电流脉冲的个数等于电子平均碰撞的个数， nV N 0 由固体物理得知 ，电阻样品的电阻值 为 于是噪声功率谱为
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(b)
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从上面讨论中，我们应该建立这样的观念： 上述现象并不是探测器不好所致。 它是探测器所固有的不可避免的现象。 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端 总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界 服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中 如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心 课题之一。
1.散粒噪声： 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起 伏（以光电子发射为例）。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声 存在于所有光电探测器中。 in2 2eid f 热激发散粒方均噪声电流为 其有效值为 I n 2eid f 相应的噪声电压为 Vn 2eid fR2 如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。 光电探测器是依靠内场把电子—空穴对分开，空穴对电流贡 献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器
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4.3 光电探测器的噪声
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一、噪声的概念
主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射， 半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种 无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变 放大量的理想放大器。
I n (se(id ib is )M 2 B)
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