3.3 Дробовой шум

Источником дробового шума в полупроводниках является упорядоченное (под действием электрического поля) перемещение носителей, имеющих разную энергию. Проявляется он, например, в диодах или транзисторах, при прохождении носителями потенциального барьера.

Рассмотрим простую модель дробового шума. Пусть роль потенциального барьера выполняет p-n переход. Предположим, что концентрация электронов существенно превосходит концентрацию дырок. Тогда ток через p-n переход будет определяться потоком электронов. В этом случае можно записать , где dQ - полный заряд,

перенесенный электронами; dt - интервал времени переноса заряда через p‑n переход.

Для единичного электрона этот ток i_e можно приблизительно рассчитать следующим образом:

,

где e = 1,6•10^-19 Кл - заряд электрона;   10^-11 c - время пролета через p-n переход.

Обычно ток через p-n переход составляет несколько миллиампер. Это означает, что единичные вклады тока от отдельных электронов перекрываются во времени (см.рис.3.4).

Каждый электрон, движущийся в этом направлении, может иметь разную скорость, следовательно, и разную энергию. Это означает, что не все электроны преодолевают потенциальный барьер p-n перехода, а только те, энергия которых больше величины E.

Хаотический шум возникающий при преодолении потенциального барьера называется дробовым.

Среднеквадратичное отклонение дробового шума определяется выражением Шотки :

, (3.8)

где q - величина заряда носителей; I_D - ток через соответствующий полупроводниковый прибор; f - полоса пропускания, в которой измеряется шум.

Спектральная плотность шума Шотки имеет вид

(3.9)

Эквивалентная схема идеального диода с p-n переходом, содержащая дробовой шум, имеет вид показанный на рис.3.5

где - дифференциальное сопротивление диода.

Следует отметить, что спектральные плотности теплового и дробового шума не зависят от частоты. Шум такого типа называется белым шумом. Спектр частот белого шума бесконечен.

3.4.Фликкер шум

Этот тип шума характерен для всех полупроводниковых приборов, в которых происходит генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар. Фликкер шум связан с дефектами кристаллической решетки, а также с глубокими ловушечными центрами, находящимися близко к середине запрещенной зоны в полупроводнике.

Среднеквадратичное отклонение тока фликкер шума имеет вид:

(3.10)

где

k_f  -  коэффициент, зависящий от конкретного прибора ( можно определить экспериментально );  = 0,5  2 ;  = 1  1,4 - постоянные коэффициенты.

Часто  = 1, тогда спектральная плотность фликкер шума имеет вид:

, (3.10а)

т.е. спектральная плотность шума обратно пропорциональна частоте (см.рис.3.6). На низких частотах вклад фликкер шума в суммарный шум устройства может быть значительным.

3.5.Шумовые модели компонентов ис

3.5.1 Диод в виде p-n переход

Шумовая эквивалентная схема диода при положительном смещении показана на рис.3.7. На рисунке обозначено r_d - дифференциальное сопротивление диода; r_б -  сопротивление базы диода;

- тепловой шум;

- суммарный дробовой и фликкер шум.