РОЗДІЛ 6 ПИТАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЇ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

ШУМИ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Загальні відомості

Фізичні процеси, які були розглянуті при вивченні електронних приладів, вважалися детермінованими, хоча насправді на ці процеси впливають різні випадкові фактори, що викликають флуктуації (випадкові зміни) струмів і напруг в ланцюгах приладів. Флуктуації напруги (або струму) на висновках електронних приладів і пристроїв зазвичай називаються шумами. Шуми внутрішньо властиві всім електронним приладам, і вони обумовлені випадковим характером руху (на мікроскопічному рівні) носіїв заряду всередині електронних приладів. Шуми часто є чинником, що накладає обмеження на характеристики електронних пристроїв, зокрема, на їх чутливість. Іноді шум можна використовувати як засіб для дослідження електричних характеристик самої системи.

Зазвичай шуми в електронних приладах розглядаються як стаціонарні випадкові процеси в тимчасовій або частотній області, тому основними характеристиками шумів є: середнє значення реалізації цього випадкового процесу (математичне очікування); спектральна щільність, що дає середню спектральну складову флуктуирующими сигналу;

дисперсія, яка характеризує енергію шуму з математичним очікуванням (середнім значенням), рівним нулю; автокореляційна функція, яка визначає статистичний зв'язок між двома значеннями випадкової функції * (/) "розділеними часовим інтервалом т, і ряд інших характеристик, зміст і значення яких будуть дані по мірі їх використання.

Джерела шумів

До основних видів шумів, які проявляються в електронних приладах, відносяться: теплової, дифузний, дробовий, генераційно-рекомбінаційний, 1 // - шум, шум токораспределения, шум вторинної емісії, лавинного множення, вибуховий, іонний і деякі інші.

Тепловий шум виникає через випадкових флуктуацій швидкості носіїв заряду в середовищі (в приладі). Флуктуації швидкості носіїв, в свою чергу, викликають випадкові зміни щільності носіїв і, як наслідок цих процесів, з'являються флуктуації струмів і напруг. Теплові флуктуації не порушують теплового рівноваги системи, так як за випадковим (мікроскопічним) відхиленням будь-якого електрофізичного параметра від рівноважного стану слід (в середньому) повернення до нього. Велике число мікроскопічних подій такого роду веде до помітної зміни струму або напруги на клемах приладу, резистора і т. Д. (Рис. 22.1).

Дробовий шум пов'язаний з проходженням вільних носіїв заряду через потенційний бар'єр. Вперше він був виявлений в електронних лампах. Назва цього виду шуму пов'язано з тим, що звук від динаміка, встановленого на виході лампового підсилювача, при великому коефіцієнті посилення під час відсутності корисного сигналу на вході нагадував звук падаючої на сталевий лист дробу. Простий дробовий шум являє собою флуктуації струму, викликані електронами або дірками, які емітуються випадково і незалежно один від одного, не взаємодіючи між собою. У твердотільних приладах, наприклад, в діодах і транзисторах, носії з емітера виходять випадковим чином і переміщаються через потенційний бар'єр збідненого шару

Мал. 22.1

р - "- переходу, викликаючи дробовий шум. У вакуумних і газорозрядних приладах електрони емітуються з катода випадковим чином і потім переміщуються до анода під дією електричного поля. Ці електрони випадковим чином долають потенційний бар'єр, що утворюється на кордоні катода з вакуумом або робочим середовищем (див . п. 11.2). Як в твердотільних, так і в вакуумних приладах струм, створюваний потоками носіїв, флуктуірует близько середнього рівня, що пов'язано з дискретною природою емісії (див. рис. 22.1). Хоча фізична природа теплового і дроб вого шумів різна, але вид шумових сигналів в обох випадках аналогічний. Як в тому, так і в іншому випадку його можна представити у вигляді великої послідовності випадкових імпульсів, схожих за формою і випадково розподілених в часі.

Однак підкреслимо, що дробовий шум в лампах, на відміну від теплового шуму в провідниках, виникає при істотно нерівноважному процесі, при якому рух носіїв здійснюється завдяки зовнішньому полю і повністю відсутня взаємодія носіїв як із середовищем, так і один з одним.

Дифузійний шум обумовлений імовірнісним характером дифузії носіїв заряду. Для напівпровідникових матеріалів цей вид шуму є причиною теплового шуму, а для приладів з р - "переходами - основною складовою дробового шуму.

Токовий шум у або 1 / Тшум, мерехтіння шум, шум контактів, надмірний шум - це все різні найменування 1 / Лшума. Ця назва пов'язана з тим, що спектральна щільність потужності цього шуму змінюється в залежності від частоти за законом / , де а ~ 0,8 ... 1,2.

З боку наднизьких частот така залежність спостерігається до значень / ~ 10 6 Гц. На високих частотах 1 // - шум маскується тепловим, дробовим або будь-яким іншим видом шуму. В даний момент немає єдиної теорії цього явища, хоча окремі приватні моделі досить добре можуть описувати такі шуми в деяких типах приладів. Судячи з усього, 1 // '- шум - це сукупність досить великої кількості різних фізичних явищ, що підкоряються одній і тій же закономірності. На основі наявних даних можна зробити висновок, що причини виникнення 1 // шуму в різних випадках різні. 1 // шум можна представити як випадкову послідовність імпульсів певної форми "(0 ~ Н / 2 £ / (0, де щь) - одинична ступінчаста функція: ^ / (/) = 1, при £> 0, (У (£) = 0 при £ <0, для якої спектральна щільність змінюється як / -1 в широкому частотному діапазоні. Таке формальне подання поки не дає уявлення про фізичний механізм, що породжує імпульси зазначеної форми. Шум, який підпорядковується закону, коли спектральна щільність обернено пропорційна частоті, проявляється у всіх матеріалів і елементів, які використовуються в електроніці: влас нних напівпровідників, резисторів, приладів на р -л переходах, плівок, рідких металів і розчинів електролітів, ламп з термокатодом, надпровідників і переходів Джозефсона і т. д. Не дивлячись на дуже велику кількість досвідчених фактів, до сих пір не можна сказати з усією визначеністю, чи належить 1 // - шум до об'ємним або поверхневим явищам. у деяких типів приладів, наприклад, у МДП-транзисторів, це поверхневий ефект. в цьому випадку у виникненні шуму важливу роль відіграє поверхню розділу напівпровідник - оксид. У інших типів приладів, наприклад, у однорідних резисторів, - це об'ємний ефект, обумовлений флуктуаціями числа або рухливості носіїв заряду. Іноді отримані дослідні дані говорять на користь флуктуації одночасно і числа, і рухливості носіїв. Найбільш достовірні дані про спектральної щільності 1 // * шуму в однорідних матеріалах. Існує емпіричний закон, згідно з яким спектральна щільність 1 // - шуму обернено пропорційна загальної кількості носіїв заряду в зразку. Хоча теоретичного обгрунтування цього закону немає і немає зв'язку з будь-яким фізичним механізмом виникнення 1 // - шуму, він, мабуть, відображає характерну особливість багатьох явищ, які супроводжують 1 // - шум. При обгрунтуванні цього емпіричного закону найбільш широко обговорювався механізм, пов'язаний з наявністю пасток на поверхні і обміном енергією приладу або матеріалу з навколишнім середовищем при тепловій рівновазі.

Як уже зазначалося, фізичний механізм, що обумовлює 1 // шум, в кожному конкретному випадку може проявитися в особливостях форми шумового сигналу, інакше, передбачається, що аналіз математичного опису процесу, що володіє характеристиками Х / ^ - шуму, може привести до розуміння фізики, лежить в основі цього явища. Найбільшого поширення в даний час отримали дві моделі процесів, що мають форму спектра 1 //:

  • 1) модель випадкового цуга імпульсів;
  • 2) модель, заснована на суперпозиції великого числа релаксаційних процесів з широкою варіацією характерних постійних часу.

Друга модель використовується більш широко, оскільки вона має безпосереднє відношення до 1 // - шуму в МДП-транзисторах, пов'язаному з поверхневими явищами. Відповідно до цього механізму носії туннелируют між енергетичними станами напівпровідника і рівнями пасток, локалізованих в шарі діелектрика (оксиду), що підтверджується практичною відсутністю 1 // - шуму в польових транзисторах (ПТ) з р-п- переходами, де поверхневі явища проявляються слабо . У той же час у МОП ПТ з великою поверхнею розділу напівпровідник - оксид складова, обумовлена цим видом шуму, є домінуючою в загальному шумовому спектрі. Як показує експеримент, і в цьому випадку інтенсивність шуму вкрай чутлива до якості поверхні, а спектральна залежність, як правило, залишається тією ж, т. Е. ~ 1 //, незалежно від стану поверхні. Отже, кожен новий, наступний шар оксиду викликає поява власного 1 // - спектра, а не зрушує ВЧ-кордон вже існуючого спектра в бік більш низьких частот за рахунок великих постійних часу у більш глибоких пасток. Отримавши в даний час широке визнання теоретична модель Мак-Уортера, заснована на захопленні носіїв поверхневими пастками, описує тільки дуже приватний механізм шуму в напівпровідниках. Наявність 1 // - шуму в металах і інших матеріалах, сильна температурна залежність 1 // - шуму у плівок металів і ряд інших процесів з спектральної залежністю 1 // поки, по суті справи, повністю не пояснений.

Генераційно рекомбінаційний шум виникає в процесі генерації і рекомбінації як рівноважних, так і нерівноважних носіїв (див. Гл. 1). При цих процесах електрони і дірки з'являються і зникають випадковим чином. Випадковий характер появи і зникнення вільних носіїв призводить до флуктуацій величини опору напівпровідника або окремих областей приладу, де процеси рекомбінації і генерації вільних носіїв реалізуються. Якщо через зразок такого напівпровідника пропустити постійний струм, то на його кінцях, крім постійної, виникає ще й флуктуаційна складова ЕРС.

У більшості напівпровідникових приладів присутні збіднені носіями області, наприклад, різного роду електричні переходи. При дифузії носіїв з тієї або іншої об'ємної області в збіднений шар носії можуть перетнути і покинути його, або відбитися від нього, або ж, нарешті, частина носіїв може бути захоплена рекомбінаційними центрами (пастками) всередині розглянутого шару. В останньому випадку в зовнішньому колі будуть виникати імпульси струму, які утворюють рекомбінаційний ток (див. П. 1.3, 2.5). Цей струм складається з стаціонарної складової, на яку накладаються флуктуації, обумовлені випадковим характером рекомбінації. Якщо носії утворюються в збідненим шарі, то електричне поле в ньому розділяє носії і змушує їх переміщатися в напрямку тих об'ємних областей, де вони є основними.

Процеси генерації супроводжуються появою у зовнішній ланцюга струмових імпульсів, що мають протилежний знак порівняно з імпульсами, що виникають при рекомбінації. Струм генерації також складається з стаціонарної складової і накладених на неї розподілених за випадковим законом генераційних флуктуацій. Таким чином, процес генерації і рекомбінації носіїв пов'язаний з їх випадковим появою і зникненням, і ці явища можуть розглядатися як послідовність незалежних випадкових подій, подібних дробові шуму. Тому для опису генераційно-рекомбінаційних шумів часто можна використовувати формули, отримані для аналізу дробових шумів з введенням відповідних поправок, які враховують специфіку процесу.

Вибуховою шум проявляється, як правило, в таких приладах, як діоди, транзистори на р -л-переходах, тунельні діоди, композиційні резистори. У найпростішому вигляді вибуховий шум проявляється як бістабільний сигнал (з двома рівнями) ступінчастою форми, з малими змінами амплітуди і з випадково розподіленими інтервалами часу між ступенями (подібно випадковому телеграфному сигналу). Однак іноді зустрічаються сигнали з декількома рівнями амплітуд (ступенів). Передбачається, що вибуховий шум у обратносмещенного р -л-переходів обумовлений нерегулярним включенням і вимиканням поверхневих каналів провідності. При прямому включенні причиною цього шуму є дефекти кристала в області переходу, причому основну роль грають не металеві домішки, а дефекти, подібні дислокациям. Характерний вид реалізації бістабільності вибухового шуму наведено на рис. 22.2. Він складається з випадкових східчастих викидів, на які накладено білий шум (володіє одно-

Мал. 22.2

мірним спектром в широкому діапазоні частот від 0 до 10 13 Гц). Вважається, що сигнал симетричний, якщо середній час тривалості кожного з двох рівнів ступені однаково, і асиметричний, якщо має місце значне відхилення від такого умови.

Лавинний і мікроплазмове шуми пов'язані з лавинним множенням, які мають місце в областях сильного електричного поля, де кінетична енергія вільних носіїв заряду достатня для іонізації атомів кристалічної решітки (див. П. 2.5). Процеси іонізації, що лежать в основі множення носіїв, відбуваються випадково, створюючи таким чином шум в струмі лавинної іонізації. Лавинне множення носіїв врешті-решт призводить до пробою р -л переходу (див. П. 2.5). Генерація електронно-доручених пар під час множення утворює в кінцевому рахунку електронно-дірковий плазму. Досить часто процеси пробою реалізуються не по всій площі переходу, а в окремих, часом мікроскопічно малих областях, де в силу різного роду дефектів існує найбільша напруженість електричного поля і в результаті пробою утворюється мікроплазми. Реалізація шуму мікроплазми часто подібна реалізації вибухового шуму, але з амплітудою значно більшою (- 10 5 А), в той час як амплітуда сигналу вибухового шуму по порядку величини дорівнює 10 8 А.

Сама мікроплазми локалізується всередині переходу в областях сильного електричного поля з характерними розмірами в декілька сотень ангстрем, в яких тріщини та інші дефекти кристалічної решітки містять пастки. Ці пастки, захоплюючи вільні носії, утворюють підвищену щільність заряду, що викликає виникнення сильного поля. Освіта і подальше руйнування мікроплазми є випадковим процесом, що і призводить до спостережуваних ступінчастим змін струму переходу.

Шуми токораспределения виникають, коли струм розділяється між електродами приладу, наприклад, транзистора або пентода. Характер розподілу струму носить випадковий характер в основному через флуктуації поперечної складової швидкості руху електрона. На ці шуми багатодітній родині і вплив флуктуації катодного струму або струму емітера, флуктуації потенціалів на електродах, різні неоднорідності полів, нестабільності електрофізичних параметрів електродів і т. Д.

Всі зазначені причини призводять до випадкового зміни напрямку руху електронів і, як наслідок цього, перехоплення електронів сіткою в електровакуумної лампі або іншим електродом в іншому типі приладу є випадковим, що і викликає флуктуації струму в ланцюгах електродів.

Шуми вторинної емісії обумовлені тим, що коефіцієнт вторинної емісії з електродів електронних ламп є непостійним в часі через нестабільність первинного струму електронів, які не ідеальності поверхні, наявності різних домішок, неоднорідностей, сторонніх включень в матеріалі вторинного катода. У звичайних пріемоусілітельних лампах шуми, викликані вторинною емісією, як правило, значно менше дробового шуму і шуму токораспределения.

Радіаційний (фотонний) шум визначається флуктуаціями параметрів світлового сигналу (випромінювання), що падає на приймач, т. Е. Флуктуаціями числа падаючих на світлочутливий шар фотоіріемніка фотонів, які приходять від випромінювача і елементів самого приймача. Крім розглянутих, в електронних приладах є деякі інші види і джерела шумів.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >