Внутренние шумы полупроводниковых приборов

Большой интерес представляет изучение электрических флуктуации в полупроводниках и полупроводниковых приборах (ППП), поскольку их изучение создает основу для глубокого понимания свойств полупроводниковых материалов и приборов. Представления о природе этих флуктуации могут быть использованы в качестве средства изучения физики полупроводниковых приборов и материалов. В частности, они позволяют более четко обнаружить некоторые физические явления и точнее определить физические параметры материалов и приборов по сравнению с другими методами. В полупроводниковых приборах имеют место тепловой шум, дробовой шум и низкочастотный шум. Тепловой шум обусловлен хаотическим движением носителей заряда в объеме полупроводника и их взаимодействием с кристаллической решеткой. Напряжение шума определяется по формуле Найквиста.

_шт²=4kTRП_ш. (23.16)

В транзисторе распределенное сопротивление базы r_б преобладает над распределенными сопротивлениями эмиттера и коллектора, поэтому при расчете уровня теплового шума учитывают только шумы базового сопротивления

_штб²=4KTr_бП_ш. (23.17)

Дробовой шум в ППП обусловлен флуктуацией числа носителей тока, пересекающих область пространственного заряда p-n - перехода. Флуктуации носителей тока в полупроводниковых приборах вызваны хаотическим процессом генерации и рекомбинации. Интенсивность дробовых шумов по аналогии с ламповыми диодами определяется по формуле Шоттки:

I_др²=2qI₀П_ш. (23.18)

Дробовые шумы возникают как в эмиттерном, так и в коллекторном переходах транзистора и их среднеквадратичные напряжения вычисляются соответственно:

=2qr_э²(I_э+I_э0)П_ш (23.19)

 

_дрк²=2qr_к²(h_21б I_э+I_к0) П_ш (23.20)

где r_э, r_к - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n - переходов соответственно; h_21Б - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой; I_э0 - обратный ток эмиттерного p-n - перехода: I_э - ток эмиттера.

Если теория тепловых и дробовых шумов достаточно полно разработана применительно к широкой классу ППП и получила хорошее экспериментальное подтверждение, то такого заключения еще невозможно сделать по низкочастотному шуму. На основе многочисленных данных экспериментального исследования внутренних шумов ППП в области низких частот можно отметить следующие свойства:

- слабая температурная зависимость;

- сильная зависимость уровня от состояния поверхности реального прибора;

- зависимость шума от механических деформаций, дозы радиации, плотности дислокации и дефектов структуры.

Спектральная плотность мощности шума в области низких частот имеет вид:

G(f) =AIⁿf^--gDf. (23.21)

где I – ток, протекающий через p-n переход;

А - коэффициент, учитывающий физические свойства прибора;

n - показатель токовой зависимости (n»1¸2);

g=0,5¸2 – коэффициент частотной зависимости, определяющий скорость спада спектральной плотности;

Наиболее вероятной причиной возникновения низкочастотного шума считается флуктуация плотности носителей заряда, вызывающая флуктуации проводимости. Последние, в свою очередь, могут быть вызваны следующими причинами: генерация-рекомбинация носителей; флуктуация высоты потенциального барьера; туннельное прохождение носителей через потенциальный барьер диффузии носителей. Указанные процессы могут протекать как в объеме, так и на поверхности полупроводникового прибора. Одними из основных источников низкочастотного шума в полупроводниковых приборах являются дефекты кристаллической решетки, рассмотренные выше. Эти дефекты создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне, которые могут проявлять себя в качестве рекомбинационных центров. Причем время захвата этих центров может принимать значения до нескольких минут, тем самым существенное влияние оказывают на электрические свойства р-n перехода. Расчеты, проведенные для объемного центра, локализованного в обедненной области р-n перехода показывают, что случайные процессы эмиссии носителей заряда глубоких центров приводят к большой постоянной времени и появлению НЧ шумов. Уровень шума определяется концентрацией дефектных уровней. Среди различных моделей НЧ шума можно выделить модели, которые связывают происхождение шума со свойствами поверхности полупроводников. Эти модели основываются на случайном распределении поверхностного потенциала, образуемого статистическим распределением связанных зарядов, локализованных в оксидном слое. Полученные результаты находят достаточно точное экспериментальное подтверждение.

Одной из разновидностей НЧ шума является "взрывной шум". Этому вопросу в последнее время посвящено значительное число работ. Источник взрывного шума пока не вполне ясен, но считается, что он связан с наличием тонких, сильно легированных эмиттерных переходов. Появление и исчезновение импульсов связывается с одной ловушкой в области пространственного заряда. Наиболее правдоподобной теорией взрывного шума следует считать дислокационную теорию, находящуюся в хорошем согласии с экспериментом. Таким образом, в полупроводниковых приборах имеются следующие процессы обусловливающие НЧ шумы: а) флуктуация тока за счет захвата носителей объемными центрами, локализованными в однородных областях кристалла; б) флуктуация тока вследствие флуктуации высоты потенциального барьера р-n - перехода; в) флуктуации тока за счет захвата и эмиссии носителей заряда медленными поверхностными состояниями; г) флуктуации тока вследствие изменения потенциала в при поверхностной области p-n перехода.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лекция №1 Введение в дисциплину4

«Схемотехника аналоговых электронных устройств» 4

1.1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах4

1.2.Программа дисциплины7

1.3.Балльно-рейтинговая система оценки знаний. 11

1.4.Рекомендуемая литература. 13

Лекция №2Ошибка! Закладка не определена.

Качественные показатели и характеристики15

аналоговых электронных устройств. 15

2.1. Основные определения15

2.2. Входные и выходные показатели. 17

2.3. Коэффициент усиления. 18

2.4. Амплитудно-частотная характеристика. 20

2.5.Фазовая характеристика. 21

2.6. Амплитудная характеристика. 22

2.7. Нелинейные искажения. 24

2.8. Переходная характеристика. 24

Лекция №3Ошибка! Закладка не определена.

Основы построения электронных усилителейОшибка! Закладка не определена.

3.1. Принципы построения усилительных устройств. 26

3.2. Построение усилительного каскада на электронной лампе. 26

3.3. Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах. 28

3.4. Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ. 30

3.5. Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах. 32

3.6. Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде. 35

3.7. Схемы межкаскадной связи. 36

Лекция №439

Обеспечение и стабилизация режима работы39

усилительного элемента по постоянному току. 39

4.1. Режим работы усилительного элемента. 39

4.2. Цепи подачи смещения. 41

4.3. Стабилизация рабочей точки биполярных транзистров. 43

Лекция №547

Предварительные усилители напряжения47

5.1. Общие сведения о предварительных усилителях. 47

5.2. Принципиальные схемы предварительных усилителей. 47

5.3. Эквивалентная схема усилителя. 49

5.4. Методика анализа резисторного каскада52

предварительного усилителя. 52

Лекция №6Ошибка! Закладка не определена.

Анализ каскада предварительного усиления. Ошибка! Закладка не определена.

6.1. Анализ резисторного каскада в области средних частот. 54

6.2. Анализ резисторного усилителя на высоких частотах. 55

6.3. Анализ резисторного каскада в области нижних частот. 58

Лекция №7Ошибка! Закладка не определена.

Импульсные и широкополосные усилители. 63

7.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей. 63

7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен65

7.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен67

Лекция №8Ошибка! Закладка не определена.

Цепи коррекций в импульсных и широкополосных усилителяхОшибка! Закладка не определена.

8.1. Назначение корректирующих цепей70

8.2. Простая индуктивная высокочастотная коррекция70

8.3. Эмиттерная высокочастотная коррекция74

8.4. Низкочастотная коррекция74

Лекция №9Ошибка! Закладка не определена.

Выходные каскады усилителей79

9.1. Общие сведения о выходных каскадах79

9.2. Способы построения однотактных выходных каскадов80

9.3. Эквивалентная схема трансформаторного каскада82

9.4. Выходные динамические характеристики84

9.5. Построение ВДХ для каскада с емкостной связью85

9.6. Построение ВДХ для трансформаторного каскада87

9.7. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А88

9.8. Анализ однотактного трансформаторного89

усилителя мощности в режиме А. 89

Лекция №1092

Двухтактные выходные каскады92

10.1. Резисторные двухтактные усилители напряжения92

10.2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности93

10.3. Работа двухтактного каскада в режиме В. 94

10.4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности97

10.5. Фазоинверсные схемы99

Лекция №11101

Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности101

11.1 Общие сведения102

11.2. Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности102

11.3. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной104

симметрией104

11.4. Бестрансформаторный усилитель мощности на106

составных транзисторах106

Лекция №12109

Курсовое проектирование109

12.1. Цель курсового проектирования109

12.2 Содержание и тематика проекта109

12.3. Правила выполнения и оформления курсового проекта110

12.4. Организация работ и последовательность проектирования112

Лекция №13114

Обратная связь в аналоговых электронных устройствах114

13.1. Классификация видов обратной связи114

Рис.13.1. Структурные схемы усилителей115

13.2. Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ116

13.3. Влияние ООС на входное и выходное сопротивления. 118

13.4. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику119

Лекция №14121

Усилительные каскады с различными видами обратной связи121

14.1. Усилительные каскады с последовательной ООС по току121

14.2. Влияние элементов автоматического смещения и эммитерной122

стабилизации на АЧХ122

14.4 Усилительный каскад с паралелльной ООС по напряжению123

14.5. Усилитель с глубокой обратной связью124

14.6. Истоковые и эмиттерные повторители125

Лекция №15128

Усилители постоянного тока128

15.1. Назначение и особенности построения128

15.2. УПТ с непосредственной связью128

15.3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения129

15.4. Дрейф нуля и способы его уменьшения131

15.5. Балансные усилители постоянного тока132

Лекция №16134

Специальные каскады УПТ135

16.1. Дифференциальные усилители135

16.2. Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала137

16.3. УПТ с использованием оптрона139

Лекция №17140

Аналоговые электронные устройства140

на интегральных микросхемахОшибка! Закладка не определена.

17.1. Общие сведения об интегральных микросхемах141

17.2. Особенности интегральной схемотехники143

17.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.146

17.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах149

Лекция №18152

Операционные усилители152

18.1. Общие сведения об операционных усилителях152

18.2. Принципиальные схемы операционных усилителей153

18.3. Операционный усилитель 153 серииОшибка! Закладка не определена.

18.4. Свойства и характеристики ОУ155

Лекция №19159

Амплитудно-частотная характеристика ОУ. Коррекция ОУ159

19.1. Диаграмма Боде159

19.2. Обеспечение устойчивости ОУ161

19.3. Коррекция частотной характеристики ОУ162

Лекция №20164

Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов165

20.1. Неинвертирующий усилитель165

20.2. Суммирующее устройство166

20. 3. Повторитель напряжения167

20.4. Инвертирующий усилитель168

20.5. Вычитывающее устройство169

20.6. Интегрирующее устройство170

20.7. Дифференцирующее устройство172

20.8. Логарифмирующее устройство173

Лекция №21174

Активные фильтры174

21.1. Общие сведения об активных фильтрах174

21.2. Пассивные RС – фильтры174

21.3. Реализация активных фильтров176

21.4. Активные фильтры высокого порядка178

21.5. Полосовые и заграждающие АФ178

21.6. Общие сведения о регулировках тембра180

21.7 Принцип регулировки тембра на основе АФ180

21.8. Регулятор тембра на основе АФ182

Лекция №22184

Регулировка усиления184

22.1. Общие сведения о регулировках усиления184

22.2. Регулировка усиления изменения входного сигнала184

22.3. Тонкомпенсирующие регуляторы усиления185

22.4. Регулировка усиления изминением режима работы187

усилительного элемента187

22.5. Регулировка изменением глубины обратной связи.187

Лекция №23188

Внутренние шумы189

23.2. Шумы электрических цепей192

23.3. Шумы электронных ламп193