2.5. Шумы транзисторов
Источником шума в биполярных транзисторах является процесс генерации и рекомбинации пар электрон-дырка в базе. Шум этого вида называется генерационно-рекомбинационным. При этом происходит изменение плотности свободных носителей и флуктуация тока в p-n переходах. Такой шум по своей природе близок к дробовому. Другой вид шума в биполярных транзисторах- диффузионный шум , который по своей природе является тепловым. Кроме того, тепловое движение носителей приводит к возникновению шумового напряжения на распределенном сопротивлении базы. Основной составляющей шума в транзисторах является дробовый шум в p-n переходе, связанный с флуктуациями потока носителей, преодолевающих потенциальный барьер. В биполярных транзисторах присутствуют также шумы, связанные с фликкер-эффектом. Шумы в полевых транзисторах значительно меньше, чем в биполярных, так как ток транзистора создается носителями основного типа, концентрация которых мало зависит от температуры и генерационно-рекомбинационные процессы не играют в них сколько-нибудь значительной роли. Главными составляющими шума полевых транзисторов являются тепловые шумы, возникающие в проводящем канале, и дробовые шумы тока затвора.
В области низких частот преобладают поверхностные мерцающие шумы, которые вызываются флуктуирующим захватом зарядов ловушками, образуемыми неоднородностями структуры полупроводника, эти процессы медленные, поэтому низкочастотный коэффициент шума имеет характеристику вида 1/f, которая в логарифмическом масштабе имеет скорость падения 10 дБ/ дек. Эта шумовая составляющая очень важна для усилителей постоянного тока , так как определяет их низкочастотный дрейф.
Коэффициент шума на низких частотах зависит от уровня коллекторного тока, поэтому при разработке малошумящего входного каскада усилителя постоянного тока необходимо использовать минимальные коллекторные токи.
Коэффициент шума маломощного биполярного транзистора минимален в схеме с общим эмиттером при токе коллектора 0,2-0,3 мА. Это значение коллекторного тока сравнимо с возможным изменением тока вследствие изменения температуры. Коэффициент шума также зависит от стационарного напряжения коллектор-эмиттер. Считают, что коэффициент шума пропорционален квадратному корню напряжения U20. Обычно в малошумящих каскадах это напряжение устанавливают равным 0,8-2,0 В.
Контрольные вопросы
1. Какой смысл вкладывается в понятие «эквивалентная схема транзистора» при изучении связи между приращениями токов и напряжений относительно их стационарных величин в усилительном элементе?
Почему в эквивалентной схеме не учитываются постоянные токи и напряжения, относящиеся к стационарному режиму?
2.Укажите влияние стационарного режима биполярного транзистора на величины дифференциальных параметров, которые входят в эквивалентную схему.
3.Почему эквивалентная схема транзистора не отражает появление нелинейных искажений выходного сигнала при увеличении уровня входного воздействия?
4.Объясните, почему при включении полевого транзистора с общим стоком или биполярного транзистора с общим коллектором в схемах не происходит усиление напряжения?
5.В области низких и средних частот полевой транзистор, включенный с общим истоком, практически не потребляет входной ток, однако с увеличением частоты входного сигнала в области высоких частот наблюдается появление и увеличение тока между затвором и истоком. Объясните это явление, используя эквивалентную схему транзистора.
6.При наличии входного сигнала базовый ток биполярного транзистора всегда отличен от нуля, который увеличивается с ростом частоты. Объясните это явление, используя эквивалентную схему биполярного транзистора при включении его с общим эмиттером, базой и коллектором.
7.Объясните, почему при определении дифференциального параметра g22, используя выходные ВАХ полевого или биполярного транзистора, нельзя смещаться в рабочей точке с кривых U10= сonst или I10=сonst соответственно.
8.Используя входные и выходные вольтамперные характеристики биполярного транзистора, укажите способ определения крутизны S0 и входной дифференциальной проводимости в стационарной точке. Приведите вывод приближенных соотношений S0~I20/mVT и g11~I10/mVT, используя экспоненциальные зависимости токов коллектора и базы от напряженияUЭБ на переходе эмиттер-база биполярного транзистора.