Вопросы применения и эксплуатации электронных приборов

ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Общие сведения

Физические процессы, которые были рассмотрены при изучении электронных приборов, считались детерминированными, хотя на самом деле на эти процессы оказывают влияние различные случайные факторы, вызывающие флуктуации (случайные изменения) токов и напряжений в цепях приборов. Флуктуации напряжения (или тока) на выводах электронных приборов и устройств обычно называются шумами. Шумы внутренне присущи всем электронным приборам, и они обусловлены случайным характером движения (на микроскопическом уровне) носителей заряда внутри электронных приборов. Шумы часто являются фактором, накладывающим ограничения на характеристики электронных устройств, в частности, на их чувствительность. Иногда шум можно использовать как средство для исследования электрических характеристик самой системы.

Обычно шумы в электронных приборах рассматриваются как стационарные случайные процессы во временной или частотной области, поэтому основными характеристиками шумов являются: среднее значение реализации этого случайного процесса (математическое ожидание); спектральная плотность, дающая среднюю спектральную составляющую флуктуирующего сигнала;

дисперсия, характеризующая энергию шума с математическим ожиданием (средним значением), равным нулю; автокорреляционная функция, определяющая статистическую связь между двумя значениями случайной функции *(/)" разделенными временным интервалом т, и ряд других характеристик, смысл и значение которых будут даны по мере их использования.

Источники шумов

К основным видам шумов, которые проявляются в электронных приборах, относятся: тепловой, диффузионный, дробовой, генерационно-рекомбинационный, 1//-шум, шум токораспределения, шум вторичной эмиссии, лавинного умножения, взрывной, ионный и некоторые другие.

Тепловой шум возникает из-за случайных флуктуаций скорости носителей заряда в среде (в приборе). Флуктуации скорости носителей, в свою очередь, вызывают случайные изменения плотности носителей и, как следствие этих процессов, появляются флуктуации токов и напряжений. Тепловые флуктуации не нарушают теплового равновесия системы, так как за случайным (микроскопическим) отклонением какого-либо электрофизического параметра от равновесного состояния следует (в среднем) возвращение к нему. Большое число микроскопических событий такого рода ведет к заметному изменению тока или напряжения на клеммах прибора, резистора и т. д. (рис. 22.1).

Дробовой шум связан с прохождением свободных носителей заряда через потенциальный барьер. Впервые он был обнаружен в электронных лампах. Название этого вида шума связано с тем, что звук от динамика, установленного на выходе лампового усилителя, при большом коэффициенте усиления в отсутствие полезного сигнала на входе напоминал звук падающей на стальной лист дроби. Простой дробовой шум представляет собой флуктуации тока, вызываемые электронами или дырками, которые эмитируются случайно и независимо друг от друга, не взаимодействуя между собой. В твердотельных приборах, например, в диодах и транзисторах, носители из эмиттера выходят случайным образом и перемещаются через потенциальный барьер обедненного слоя.

Рис. 22.1.

р—" -перехода, вызывая дробовой шум. В вакуумных и газоразрядных приборах электроны эмитируются из катода случайным образом и затем перемещаются к аноду под действием электрического поля. Эти электроны случайным образом преодолевают потенциальный барьер, образующийся на границе катода с вакуумом или рабочей средой (см. п. 11.2). Как в твердотельных, так и в вакуумных приборах ток, создаваемый потоками носителей, флуктуирует около среднего уровня, что связано с дискретной природой эмиссии (см. рис. 22.1). Хотя физическая природа теплового и дробового шумов различна, но вид шумовых сигналов в обоих случаях аналогичен. Как в том, так и в другом случае его можно представить в виде большой последовательности случайных импульсов, похожих по форме и случайно распределенных во времени.

Однако подчеркнем, что дробовый шум в лампах, в отличие от теплового шума в проводниках, возникает при существенно неравновесном процессе, при котором движение носителей осуществляется благодаря внешнему полю и полностью отсутствует взаимодействие носителей как со средой, так и друг с другом.

Диффузионный шум обусловлен вероятностным характером диффузии носителей заряда. Для полупроводниковых материалов этот вид шума является причиной теплового шума, а для приборов с р—" переходами — основной составляющей дробового шума.

Токовый шум_у или 1/Тшум, фликкер-шум, шум контактов, избыточный шум — это все различные наименования 1/Лшума. Это название связано с тем, что спектральная плотность мощности этого шума изменяется в зависимости от частоты по закону /^-а, где, а ~ 0,8…1,2.

Со стороны сверхнизких частот такая зависимость наблюдается до значений / ~ 10 ⁶ Гц. На высоких частотах 1//-шум маскируется тепловым, дробовым или каким-либо другим видом шума. В данный момент нет единой теории этого явления, хотя отдельные частные модели достаточно хорошо могут описывать такие шумы в некоторых типах приборов. Судя по всему, 1//'-шум — это совокупность достаточно большого количества различных физических явлений, подчиняющихся одной и той же закономерности. На основе имеющихся данных можно заключить, что причины возникновения 1// шума в различных случаях разные. 1// шум можно представить как случайную последовательность импульсов определенной формы «(0 ~ Н/²?/(0, где ЩЬ) — единичная ступенчатая функция: ^/(/) = 1, при? > 0, (У (?) = 0 при? < 0, для которой спектральная плотность изменяется как /^-1 в широком частотном диапазоне. Такое формальное представление пока не дает представления о физическом механизме, порождающем импульсы указанной формы. Шум, подчиняющийся закону, когда спектральная плотность обратно пропорциональна частоте, проявляется у всех материалов и элементов, используемых в электронике: собственных полупроводников, резисторов, приборов на р—л переходах, пленок, жидких металлов и растворов электролитов, ламп с термокатодами, сверхпроводников и переходов Джозефсона и т. д. Несмотря на очень большое число опытных фактов, до сих пор нельзя сказать со всей определенностью, принадлежит ли 1//-шум к объемным или поверхностным явлениям. У некоторых типов приборов, например, у МДП-транзисторов, это поверхностный эффект. В этом случае в возникновении шума важную роль играет поверхность раздела полупроводник — окисел. У других типов приборов, например, у однородных резисторов, — это объемный эффект, обусловленный флуктуациями числа или подвижности носителей заряда. Иногда полученные опытные данные говорят в пользу флуктуации одновременно и числа, и подвижности носителей. Наиболее достоверны данные о спектральной плотности 1//*шума в однородных материалах. Существует эмпирический закон, согласно которому спектральная плотность 1//-шума обратно пропорциональна общему числу носителей заряда в образце. Хотя теоретического обоснования этого закона нет и нет связи с каким-либо физическим механизмом возникновения 1//-шума, он, по-видимому, отражает характерную особенность многих явлений, сопровождающих 1//-шум. При обосновании этого эмпирического закона наиболее широко обсуждался механизм, связанный с наличием ловушек на поверхности и обменом энергией прибора или материала с окружающей средой при тепловом равновесии.

Как уже отмечалось, физический механизм, обусловливающий 1// шум, в каждом конкретном случае может проявиться в характерных особенностях формы шумового сигнала, иначе, предполагается, что анализ математического описания процесса, обладающего характеристиками Х/^-шума, может привести к пониманию физики, лежащей в основе этого явления. Наибольшее распространение в настоящее время получили две модели процессов, имеющих форму спектра 1//:

• 1) модель случайного цуга импульсов;
• 2) модель, основанная на суперпозиции большого числа релаксационных процессов с широкой вариацией характерных постоянных времени.

Вторая модель используется более широко, поскольку она имеет непосредственное отношение к 1//-шуму в МДП-транзисторах, связанному с поверхностными явлениями. В соответствии с этим механизмом носители туннелируют между энергетическими состояниями полупроводника и уровнями ловушек, локализованных в слое диэлектрика (окисла), что подтверждается практическим отсутствием 1//-шума в полевых транзисторах (ПТ) с р-п-переходами, где поверхностные явления проявляются слабо. В то же время у МОП ПТ с большой поверхностью раздела полупроводник — окисел составляющая, обусловленная этим видом шума, является доминирующей в общем шумовом спектре. Как показывает эксперимент, и в этом случае интенсивность шума крайне чувствительна к качеству поверхности, а спектральная зависимость, как правило, остается той же, т. е. ~ 1//, независимо от состояния поверхности. Следовательно, каждый новый, последующий слой окисла вызывает появление собственного 1//-спектра, а не сдвигает ВЧ-границу уже существующего спектра в сторону более низких частот за счет больших постоянных времени у более глубоких ловушек. Получившая в настоящее время широкое признание теоретическая модель Мак-Уортера, основанная на захвате носителей поверхностными ловушками, описывает только весьма частный механизм шума в полупроводниках. Наличие 1//-шума в металлах и других материалах, сильная температурная зависимость 1//-шума у пленок металлов и ряд других процессов со спектральной зависимостью 1// пока, по сути дела, полностью не объяснен.

Генерационно рекомбинационный шум возникает в процессе генерации и рекомбинации как равновесных, так и неравновесных носителей (см. гл. 1). При этих процессах электроны и дырки появляются и исчезают случайным образом. Случайный характер появления и исчезновения свободных носителей приводит к флуктуациям величины сопротивления полупроводника или отдельных областей прибора, где процессы рекомбинации и генерации свободных носителей реализуются. Если через образец такого полупроводника пропустить постоянный ток, то на его концах, помимо постоянной, возникает еще и флуктуационная составляющая ЭДС.

В большинстве полупроводниковых приборов присутствуют обедненные носителями области, например, различного рода электрические переходы. При диффузии носителей из той или другой объемной области в обедненный слой носители могут пересечь и покинуть его, или отразиться от него, или же, наконец, часть носителей может быть захвачена рекомбинационными центрами (ловушками) внутри рассматриваемого слоя. В последнем случае во внешней цепи будут возникать импульсы тока, которые образуют рекомбинационный ток (см. п. 1.3, 2.5). Этот ток состоит из стационарной составляющей, на которую накладываются флуктуации, обусловленные случайным характером рекомбинации. Если носители образуются в обедненном слое, то электрическое поле в нем разделяет носители и заставляет их перемещаться в направлении тех объемных областей, где они являются основными.

Процессы генерации сопровождаются появлением во внешней цепи токовых импульсов, имеющих противоположный знак по сравнению с импульсами, возникающими при рекомбинации. Ток генерации также состоит из стационарной составляющей и наложенных на нее распределенных по случайному закону генерационных флуктуаций. Таким образом, процесс генерации и рекомбинации носителей связан с их случайным появлением и исчезновением, и эти явления могут рассматриваться как последовательность независимых случайных событий, подобных дробовому шуму. Поэтому для описания генерационно-рекомбинационных шумов часто можно использовать формулы, полученные для анализа дробовых шумов с введением соответствующих поправок, учитывающих специфику процесса.

Взрывной шум проявляется, как правило, в таких приборах, как диоды, транзисторы нар—л-переходах, туннельные диоды, композиционные резисторы. В простейшем виде взрывной шум проявляется как бистабильный сигнал (с двумя уровнями) ступенчатой формы, с малыми изменениями амплитуды и со случайно распределенными интервалами времени между ступенями (подобно случайному телеграфному сигналу). Однако иногда встречаются сигналы с несколькими уровнями амплитуд (ступеней). Предполагается, что взрывной шум у обратносмещенных р—л-переходов обусловлен нерегулярным включением и выключением поверхностных каналов проводимости. При прямом включении причиной этого шума являются дефекты кристалла в области перехода, причем основную роль играют не металлические примеси, а дефекты, подобные дислокациям. Характерный вид реализации бистабильного взрывного шума приведен на рис. 22.2. Он состоит из случайных ступенчатых выбросов, на которые наложен белый шум (обладающий равно;

Рис. 22.2.

мерным спектром в широком диапазоне частот от 0 до 10¹³ Гц). Считается, что сигнал симметричен, если среднее время длительности каждого из двух уровней ступени одинаково, и асимметричен, если имеет место значительное отклонение от такого условия.

Лавинный и микроплазменный шумы связаны с лавинным умножением, имеющим место в областях сильного электрического поля, где кинетическая энергия свободных носителей заряда достаточна для ионизации атомов кристаллической решетки (см. п. 2.5). Процессы ионизации, лежащие в основе умножения носителей, происходят случайно, создавая таким образом шум в токе лавинной ионизации. Лавинное умножение носителей в конце концов приводит к пробою р—л перехода (см. п. 2.5). Генерация электронно-дырочных пар во время умножения образует в конечном счете электронно-дырочную плазму. Достаточно часто процессы пробоя реализуются не по всей площади перехода, а в отдельных, порой микроскопически малых областях, где в силу различного рода дефектов существует наибольшая напряженность электрического поля и в результате пробоя образуется микроплазма. Реализация шума микроплазмы часто подобна реализации взрывного шума, но с амплитудой значительно большей (— 10 ⁵ А), в то время как амплитуда сигнала взрывного шума по порядку величины равна 10 ⁸ А.

Сама микроплазма локализуется внутри перехода в областях сильного электрического поля с характерными размерами в несколько сотен ангстрем, в которых трещины и другие дефекты кристаллической решетки содержат ловушки. Эти ловушки, захватывая свободные носители, образуют повышенную плотность заряда, что вызывает возникновение сильного поля. Образование и последующее разрушение микроплазмы является случайным процессом, что и приводит к наблюдаемым ступенчатым изменениям тока перехода.

Шумы токораспределения возникают, когда ток разделяется между электродами прибора, например, транзистора или пентода. Характер распределения тока носит случайный характер в основном из-за флуктуации поперечной составляющей скорости движения электрона. На эти шумы оказывают также влияние флуктуации катодного тока или тока эмиттера, флуктуации потенциалов на электродах, различные неоднородности полей, нестабильности электрофизических параметров электродов и т. д.

Все указанные причины приводят к случайному изменению направления движения электронов и, как следствие этого, перехват электронов сеткой в электровакуумной лампе или иным электродом в другом типе прибора является случайным, что и вызывает флуктуации тока в цепях электродов.

Шумы вторичной эмиссии обусловлены тем, что коэффициент вторичной эмиссии с электродов электронных ламп является непостоянным во времени из-за нестабильности первичного тока электронов, не идеальности поверхности, наличия различных примесей, неоднородностей, инородных включений в материале вторичного катода. В обычных приемоусилительных лампах шумы, вызванные вторичной эмиссией, как правило, значительно меньше дробового шума и шума токораспределения.

Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями параметров светового сигнала (излучения), падающего на приемник, т. е. флуктуациями числа падающих на светочувствительный слой фотоириемника фотонов, которые приходят от излучателя и элементов самого приемника. Кроме рассмотренных, в электронных приборах имеются некоторые другие виды и источники шумов.