3.2.Шумы транзисторов
В транзисторном усилительном каскаде основным источником шумов являются транзисторы, шумы которых превосходят величину шумов других элементов схемы.
Источниками шумов в транзисторе являются:
электронно-дырочные переходы;
активные составляющие областей базы, эмиттера коллектора;
случайные перераспределения тока между коллектором и базой;
неоднородности полупроводникового материала.
Согласно теории шумовых свойств транзисторов, основную роль в транзисторах играют фликкер-шум, дробовой, тепловой шумы, шумы разделения и т. д. Рассмотрим эти шумы подробнее, предполагая, что транзистор работает в режиме малого сигнала.
В транзисторах фликкер-шум наблюдается на низких частотах (менее 1 кГц). Спектральная плотность мощности этого шума пропорциональна 1/fa.
Источником низкочастотных шумов в транзисторе являются носители электрического заряда, возбужденные в объеме р-n перехода и на его поверхности под действием температуры приложенного электрического поля, а также в результате соударения нейтральных атомов полупроводника или примесей с управляемым потоком основных носителей. Количество носителей, возбужденных за данный промежуток времени, является случайным, а созданный ими ток — флуктуационным.
Величина низкочастотного шума может быть определена по формуле:
где K — постоянная, зависящая от объема полупроводника.
Так как площадь коллекторного перехода обычно намного больше площади эмиттерного перехода, низкочастотный шум в основном проявляется в коллекторном переходе и его можно учесть с помощью генератора шумового тока:
где коэффициенты γ, δ и α зависят от используемого полупроводника (γ=1,2…1,8; δ =1…2, α=0,9…1,2), Gк — проводимость коллекторного перехода постоянному току. 0бычно фликкер-шум возникает в результате плохо обработанных поверхностей кристалла и в местах омических контактов вывода и кристалла. Шлифованный кристалл имеет меньший фликкер-шум, чем при травлении его поверхности.
Для снижения этого шума необходимо уменьшить плотность тока на единицу поверхности, использовать планарные транзисторы и транзисторы с высокой степенью технологической обработки поверхности. Кроме того, в схемах усилителей целесообразно использовать транзисторы р–n–p типа, имеющие уровень низкочастотного шума, меньший, чем транзисторы n–р–n типа.
В ряде случаев специальные измерения фликкер-шума на частоте f=1 кГц и ниже позволяют прогнозировать надежность транзисторов и определять ряд дефектов в них (плохие контакты, трещины и т. д.).
Тепловой шум транзистора вызван хаотическим движением носителей в объеме полупроводника. Этот шум, в отличие от избыточного шума, существует даже при отсутствии электрического тока. Определяется он по известной формуле Найквиста.
Так как в транзисторе распределенное активное сопротивление области базы больше распределенного сопротивления областей эмиттера и коллектора, то учитывают только тепловой шум базы:
Величина rб в Ge транзисторах меньше, чем в Si, поэтому последние имеют более высокие тепловые шумы.
Дискретная структура эмиттерного тока и случайный характер прохождения носителей через эмиттерный переход являются причиной появления дробового шума. Дробовые шумы возникают как в коллекторном так и в эмиттерном переходах.
Интенсивность дробовых шумов эмиттерного перехода определяется по формуле Шоттки:
где Iэ — постоянная составляющая тока через переход, являющегося причиной шумов.
Дробовой шум коллекторного перехода определяется неуправляемым обратным коллекторным током Iко:
Для снижения дробовых шумов рекомендуется использовать транзисторы с малым обратным током Iко, а также работать при сравнительно невысоких температурах и небольших токах эмиттера.
Случайный характер процессов рекомбинации носителей в области базы транзистора является причиной появления шума связанного с перераспределения тока эмиттера
где α — коэффициент передачи по току в схеме с ОБ, Iэ — постоянная составляющая тока эмиттера.
Существуют и другие типы шумов в транзисторах — это шумы облучения, возникающие при облучении транзистора быстрыми частицами, шумы лавинного пробоя, возникающие при высоком, близком к пробивному уровню обратного напряжения на переходе, взрывные шумы и т. д. Однако в транзисторе основными шумами являются избыточные — тепловой, дробовой и шумы разделения.