Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
величин или усиливаемых сигналов. Важно знать факторы, определяющие эти
пределы, чтобы целенаправленно оптимизировать условия работы приборов и
искать новые способы и новые технологические методы снижения уровня
шумов.
Наблюдаемые шумы обычно подразделяют на тепловой шум, фликер-шум и
дробовой шум. Тепловой шум имеет место(r) любом проводнике или
полупроводнике и обусловлен хаотическим движением носителей тока. Средний
квадрат напряжения тепловых
120
Глава 2
шумов в разомкнутой цепи (VI) определяется выражением [44, 45]
{vl) = 4 kTBR, (90)
где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, К; В - ширина
полосы пропускания, Гц; R - действительная часть импеданса, подключенного
к выходным клеммам. При комнатной температуре в полупроводниковом
материале с сопротивлением
1 кОм среднеквадратичное напряжение шума, измеренное в полосе частот
1 Гц, составляет ~4 нВ (1 нВ = 10'9 В).
Фликер-шум отличается специфическим спектральным распределением,
пропорциональным 1 //", где величина а обычно близка к 1 (так называемый
шум 1//) и играет важную роль на низких частотах. Для большинства
полупроводниковых приборов происхождение фликер-шума связано с
поверхностными эффектами. Установлена качественная и количественная
корреляции спектральной плотности шумов Iff с той частью потерь в
импедансе структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП), которая
обусловлена рекомбинацией носителей на поверхностных ловушках у границы
раздела.
Дробовой шум является преобладающим для большинства полупроводниковых
приборов. При низких и средних частотах он не зависит от частоты, т. е.
имеет "белый" спектр. Средний квадрат тока дробового шума р - п-перехода
определяется выражением
(i%) = 2qBI, (91)
где 1 - абсолютная величина тока через переход. При низком уровне
инжекции средний квадрат полного тока (без учета шума 1//) составляет
(Ц) = ШВв - 2qBI. (92)
Из формулы Шокли получим
0 = ¦Ж = Ж'[/' ^у,кТ - ^ = ¦1ГеяУ1кТ- <93>
Подставляя выражение (93) в выражение (92), найдем, что в случае прямого
смещения
<й> = цивё'"" + 2 qBh. (94)
Экспериментальные данные действительно подтверждают, что средний квадрат
шумового тока пропорционален току насыщения /5, который можно изменять с
помощью освещения перехода.
Плоскостные диоды
щ
2.7. СХЕМНЫЕ ФУНКЦИИ
Полупроводниковый р - п-переход является двухполюсником, который способен
выполнять в схемах различные функции в зависимости от приложенного
напряжения, а также от профиля примесей и геометрии перехода. В этом
разделе кратко рассмотрен ряд интересных применений диодов, основанных на
свойствах вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик, а также на
характеристиках пробоя, рассмотренных в предыдущих разделах. Некоторые
типы двухполюсников описаны в последующих главах (например, туннельные
диоды в гл. 9 и 10).
2.7.1. Выпрямители
Выпрямитель представляет собой плоскостной диод, спроектированный
специально для выпрямления переменного тока. Он должен обладать очень
низким сопротивлением для тока, протекающего в одном направлении, и очень
высоким сопротивлением - в другом направлении. Прямое и обратное
сопротивления выпрямителя легко находятся из формулы вольт-амперной
характеристики реального диода
/ = /s(^w_ 1)> (95)
где Is - ток насыщения, а множитель п обычно принимает значения
между 1 (для диффузионного тока) и 2 (для рекомбинацион-
ного тока). Из формулы (95) можно определить прямое сопротивление на
постоянном токе (статическое сопротивление) RF к сопротивление для малого
сигнала (динамическое сопротивление) rF:
RF = e-qVPlnkT для V ^ 3kTlq) ,
_ fdVF _ nkT (96)
F ~ dip rIf
Обратные сопротивления на постоянном токе R% и на малом сигнале г%
определяются выражениями
Rr = -jf-("тг для
Г " = = 1KL e*| Vj,|/мт. (97)
R д!д qls
Из сравнения выражений (96) и (97) следует, что коэффициент выпрямления
на постоянном токе Rr/Rf изменяется по закону exp (qVptnkT), а
коэффициент выпрямления на переменном токе />//>- по закону /"/l/s exp (-
q\ V$\/kT)].
122
Глава 2
Выпрямители обычно обладают низкой скоростью переключения; другими
словами, переключение из открытого состояния с высокой проводимостью в
закрытое состояние с высоким импедансом сопровождается большой задержкой
во времени. Такая задержка, пропорциональная времени жизни неосновных
носителей (рис. 37), не имеет значения при выпрямлении переменного тока с
частотой 60 Гц. Для сохранения эффективного выпрямления на высоких
частотах следует существенно уменьшить время жизни. Большинство
выпрямителей имеет мощность рассеяния 0,1 -10 Вт, напряжение обратного
пробоя 50-2500 В (в высоковольтных выпрямителях включают последовательно
два и более р - л-перехода) и время переключения от 50 не для маломощных
диодов до ~500 не для мощных диодов.
2.7.2. Стабилитроны
Стабилитрон представляет собой плоскостной диод, работающий при обратном
смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя диод имеет очень высокое
сопротивление, а после пробоя - очень малое динамическое сопротивление. В
