Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Какими бы не были теоретические предположения о природе токового шума, этот шум, зависящий от величины 1//, не может быть представлен моделью, основанной на процессе с одной временной постоянной. Видимо, существует система флуктуирующих процессов, каждый из которых характеризуется своей постоянной времени т. Спектр этих постоянных времени широк и Дается неким нормированным распределением g (т). Если элементарные случайные процессы считать независимыми, то для объяснения справедливости закона 1//, необходимо предположить, что и т подчиняется гиперболическому закону распределения, т. е. g (т) — 1/т. Однако справедливость такого распределения вызы-
467
вает сомнения. Можно, с другой стороны, показать, что спектр 1// является результатом действия множества зависимых элементарных процессов, каждый из которых характеризуется также своим временем жизни т и в отдельности дает обычный дробовый шум. Наконец, весьма вероятным является предположение о нестационарном характере системы элементарных случайных процессов, когда дисперсия каждого из них зависит от времени. Это предположение также позволяет получить шум со спектральной плотностью 1//.
Зависимость спектральной плотности избыточного шума от величины тока, текущего через полупроводник, указывает на то, что токовый шум является результатом флуктуаций проводимости материала. Под термином «модуляционный шум» как раз и подразумевается, что токовый шум создается благодаря явлениям, приводящим к модуляции плотности носителей заряда и соответственно — к модуляции проводимости материала.
В противоположность тепловому шуму спектральная плотность токового шума зависит от размеров полупроводникового материала.
Это объясняется, по-видимому, отсутствием пространственной корреляции токового шума, когда флуктуации шума в одной части материала не связаны с флуктуациями в другой его части, или эта связь выражена слабо и действует на очень малых расстояниях.
Таким образом, выражение для среднего квадрата относительного изменения сопротивления полупроводника можно записать в виде
где с = const; v = xyz — объем полупроводника.
Так как изменение сопротивления г приемника на величину Дг эквивалентно появлению в цепи приемника переменной э.д.с., включенной последовательно с сопротивлением г и равной
где Е0 — напряжение источника питания цепи, состоящей из сопротивления г и его нагрузки /*„, х == г/гн, то флуктуации относительного сопротивления Дг!г очевидно приведут к появлению модуляционной шумовой э. д. с.
Поскольку
к Дг ?„ ггн Аг
463
то можно также записать
Обозначив С =сгУь и вычислив спектральную плотность э.д.с. модуляционного шума, найдем
Экспериментально установленная зависимость имеет вид
причем в большинстве случаев величина а близка к 2, а р лежит в диапазоне 0,8—1,5.
Избыточный шум 1 If является одним из основных шумов предусилителей, построенных на транзисторах. Плоскостной транзистор с высоким коэффициентом усиления имеет область шумов 1// до 500 Гц, для других типов транзисторов шум 1// простирается до нескольких килогерц. Выше этих частот спектральная плотность шума транзистора приблизительно постоянна до достаточно высоких частот, на которых шум начинает быстро расти. Вообще говоря, в транзисторах имеется несколько источников шума с различной степенью корреляции между ними.
Поэтому шумовая эквивалентная схема для предусилителя на транзисторах более сложна, чем для предусилителя на электронных лампах. Наиболее подходящей схемой для транзистора является Т-образная эквивалентная схема, в которой различные источники шума включены последовательно или параллельно с тремя электродами транзистора, например генераторы напряжения дробового и 1// шума — последовательно с эмиттером, генераторы напряжения теплового шума — последовательно с базой, а генераторы тока дробового шума и шума 1// — параллельно с коллектором.
Однако, если представить предусилитель на транзисторах в виде четырехполюсника, его шумы можно заменить тепловым шумом сопротивления RiK]i, включенного последовательно с входным сигналом, подобно сопротивлению R3KB-a в схеме рис. 323.
§ Б. ГЕНЕРАЦИОННО-РЕКОМБИНАЦИОННЫЙ ШУМ
Основным видом шума в полупроводниках на промежуточных частотах является генерационно-рекомбинационный шум, который связан с флуктуациями процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов. Он аналогичен дробовым шумам в вакуумных приборах, поэтому генерационно-рекомбинационный шум навы-вают иногда дробовым. Спектр мощности этого шума плоский от
cj |
¦2
f '
Ем (/) = const -у?- у
469
низких частот до частот, примерно равных обратной величине времени жизни свободных носителей, выше этих частот спектр мощности падает примерно на величину 20 дБ/дек. Это легко видеть из следующих соотношений.
Для простого процесса генерации и рекомбинации, который включает один вид носителей, функция автокорреляции, определяющая степень связи случайного генерационно-рекомбинационного процесса с временем жизни носителей т, определяется экспоненциальным законом, т. е.
К (ДО = (N — Л02е = ДЖе-А*'х,
