3. ШУМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

у всех проводников электричества наблюдаются флуктуации электрического напряжения (тока), или шумы. Уровень шумов оценивают по среднеквадратичному значению этих флуктуации Ди и Ai. В полупроводниковых диодах следует различать четыре основные составляющие внутреннего шума: тепловой шум, дробовой шум, 1 -шум, шум в области пробоя р-п перехода на обратной ветви вольтамперной характеристики.

3.1. ТЕПЛОВОЙ ШУМ

При отсутствии внешнего электрического смещения средний квадрат напряжения шума любых проводников электричества определяется формулой Найквиста, представляемой обычно в виде

Au = 4kTRAf, (3.1)

где R - активное сопротивление измеряемого источника шума; А/ - полоса частот измерителя шума.

Определяемый формулой (S.1) шум пропорционален абсолютной температуре Т и носит название теплового. Спектр теплового шума равномерный, т. е. спектральная плотность не зависит от частоты (белый шум). Последнее справедливо до частоты / < kT/h, или 2-Ш<Т, гц, где начинают сказываться квантовые эффекты [6]. В однородных материалах тепловой шум обусловлен хаотичностью теплового движения заряженных частиц, вследствие чего мгновенный поток этих частиц в одном направлении отличается, вообще говоря, от потока в противоположном направлении.

3.2. ДРОБОВОЙ ШУМ

Термин «дробовой шум» используется для обозначения компонента шума полупроводниковых диодов, природа кот-орого аналогична дробовому шуму электронных ламп.

в электронных лампах дробовой шум обусловлен тем, что при пролете электронами межэлектронного пространства, где нет компенсирующих положительных зарядов, во внещней цепи возникает импульс тока с длительностью, равной времени пролета. Вследствие беспорядочности таких импульсов имеют место флуктуации тока диода

Ж= 2qkhf. (3.2)

где г о - ток насыщения диода.

В р-п переходе, так же, как и в межэлектродном пространстве электронных ламп, нет свободных компенсирующих зарядов и аналогичный шум наблюдается в полупроводниковых приборах.

Дробовой шум на низких частотах, Через р-п переход проходят токи различной природы: диффузионный (термоэлектронный), ток термогенерации в слое объемного заряда [47], токи утечки и др. Основным током обь1чно является диффузионный. Остальные токи в процессе производства приборов стараются по возможности снизить. Аналитическое выражение вольтамперной характеристики диффузионного тока диода

/ = /о

qU / ехру.-1

(3.3)

отражает наличие в р-п переходе двух противоположно направленных токов: прямого /пр = h exp(qU/kT и обратного /обр = /о- Прямой и обратный токи статистически независимы, и соответственно каждый из них создает полный дробовой шум, т. е. для полупроводникового диода

Дг = 2<7(/пр+/обр)Л/. (3.4)

при справедливости для прямого и обратного токов урав, нения (3.3) последнее выражение можно представить в виде

W = (2<7/+ 4<7/о) А/ (3.5)

Ar-=2<7/cth(g) Д/. (3.6)

Формулы (3.5) и (3.6) удовлетворительно согласуются с результатами измерений дробового шума туннельных [10], а также плоскостных диодов на низких частотах [1].

Уровень шума р-п перехода удобно оценивать по его относительной шумовой температуре (3.21), т. е. по величине отношения шума этого перехода к тепловому шуму-генерируемому проводником электричества с проводимостью, равной дифференциальной проводимости перехода

= (£) = (+о). (3.7)

Выражение для относительной шумовой температуры дробового шума р-п перехода получается в виде

/о + / •

Отсюда следует, что при больших обратных смещениях (/- - /о) t-co, при больших прямых смещениях (/>/о) t-l/2, при малых смещениях (/<С/о) = 1. В последнем случае мощность шума определяется по формуле Найквиста (3.1).

В отличие от электровакуумных приборов, в которых дробовой шум возникает, когда приложено напряжение, в полу проводниковых приборах с р-п переходом даже при отсутствии внешнего смещения через переход проходят два равных противоположно направленных тока /о, каждый из которых создает полный дробовой шум. Средний квадрат шумового тока, генерируемого переходом, при отсутствии смещения равен

= 4qIo А/. (3.8)

Дробовой шум на высоких частотах. Спектр дробового шума определяется выражением

AF--, (3.9)

где tnp - время пролета свободного от электрических зарядов участка.

У полупроводниковых диодов ширина перехода равна примерно lO-"* - 10-6 см, средняя скорость носителей заряда 10 см/сек. Соответственно время пролета перехода составляет 10~" - 10" сек. Таким образом, согласно формуле (3.9) интенсивность дробового шума не должна зависеть от частоты ниже - 10 гц. В действительности отсутствие частотной зависимости дробового шума до столь высоких частот можно ожидать-лишь для диодов, работающих без инжекции неосновных носителей. У диодов

В литературе такие диоды называют: диоды с барьером Шот-тки, диоды на горячих носителях, диоды на основных носителях.