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_第三章__光辐射探测器的理论基础.ppt

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* * * * * * * * * * * * * * * 3.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 M是光电导的内增益。 4. 1/f 噪声 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。 1/f 噪声的经验规律为 : 式中,Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数; α为系数,它与流过元件的电流有关,其值通常取2; β为与元件材料性质有关的系数,其值在0.8~1.3之间,大部分材料的β值取1; γ与元件阻值有关,一般在1.4~1.7之间。 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。 5. 温度噪声 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。 当材料的温度发生变化时,由于有温差ΔT的存在,因而引起材料有热流量的变化Δφ,这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。 温度为T的物体的热流量噪声方均值为 A为传热面积;h为传热系数,其单位为[W/(m2K)];k为玻耳兹曼常数;T为材料温度; Δf为通带宽度。 因器件温度起伏而引起的噪声,它对热敏器件在探测弱辐射信号时影响很大。它只存在于吸收光辐射能后,能引起材料温度升高的热探测器。 —器件热导; —热时间常数; —器件热容; —环境温度; 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别,主要区别在于: 对于热噪声,材料的温度T一定,引起粒子随机性波动,从而产生了随机性电流 ; 对于温度噪声,材料温度有变化ΔT,从而导致热流量的变化Δφ,此变化就表示了温度噪声的大小。 噪声的主导地位: 在低频时, 1/f噪声起主导作用 在中频时,产生复合噪声起主导作用 在高频时,白噪声起主导作用 噪声的克服 等效噪声带宽 f f f Am N(f) A(f) 若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am,则噪声带宽为: 说明:噪声均方电流或均方电压时,用此等效带宽。 因为: 在一般光电系统中,输出噪声受放大器带宽(f1、f2)限制,故上式积分上、下限可改为f1及f2。通常用低噪声放大器作为与光电探测器连接的第一级前置放大器,其基本要求是在信号频带范围内保证对信号进行有效放大的同时,尽量降低输出噪声功率。所以放大器的带度应限制在能使信号的特征频谱分量通过即可。过宽的带宽不会增加有用的信息量,反则会降低输出量的信噪比。 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,我们需根据测量的要求反复比较各种探测器的主要特性参数,然后选定最佳的器件。 光电测量对测量器件的要求: 根据测量光信号大小,探测器能输出多大的电信号,即探测器的响应率大小。 光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率一致。 探测器能探测的极限功率。 测量调制或脉冲光信号,探测器输出电信号是否能正确反映光信号的波形。 测量的光信号幅度变化时,探测器输出的信号幅度是否能线性响应。 1.响应率(积分灵敏度)表征光电探测器探测灵敏度的参量,它说明了在确定的入射光信号下,探测器输出有用电信号的能力,定义为光电探测器输出的信号电压VS(电流IS)与入射光功率PS之比:称为电压响应率(电流)响应率。 光电探测器中,辐射源采用2856K的A光源。热探测器中光源一般是500K的模拟黑体。 或 2.光谱响应率 或 随波长的变化关系称为探测器的光谱响应函数 从响应度的定义来看,好象只要有信号辐射存在,不管它的功率多小,都可探测出来。但事实并非如此。由于噪声的存在,当信号很小时,将被噪声所淹没,无法将其测量出来。 信噪比(S/N),在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比,常用分贝表示。 3.等效噪声功率(NEP):
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