4.3. Источники шумов пт

Рассмотрение шумовых свойств ПТ, как и любого другого активного компонента, включает в себя рассмотрение трех сос­тавляющих шума: тепловой, дробовой и составляющей шума фликкер-эффекта.

Источниками шумов ПТ являются: тепловые шумы канала, генерационный шум p-n-переходов, генерационный шум канала, поверхностные шумы фликкер-эффекта, шумы, вызванные паразитны­ми МДП структурами, дробовые шумы токов стока и затвора, инду­цированный шум токов затвора.

Основной вклад в уровень собственных шумов ПТ вносят тепловые флуктуации носителей в канале. Напряжение тепловых шумов в канале модули­рует ширину проводящего канала, в результате чего в цепи стока появляется усиленное напряжение шумов.

Для транзисторов с p-n-переходом, имеющих p-канал, средне-квадратичное напряжение шума на выходе, определенное в узкой полосе  f , как показано в [1], равно:

, (4.42)

, (4.43)

где А_1m – коэффициент, зависящий от конструкции прибора, S_m – крутизна характеристики передачи идеального ПТ в рабочей точке, K – постоянная Больцмана, Т – температура в градусах Кельвина.

В работе [3] принято значение коэффициента А_1m, равное 1. Чтобы найти величину напряжения шумов в широкой полосе час­тот от f₁ до f₂, необходимо проинтегрировать (4.42) по час­тоте в этих пределах:

. (4.44)

Выражение, полученное для расчета тепловых шумов канала МДП-транзистора, совпадает с (4.43), причем в последнем случае значение коэффициента А_1m равно:

. (4.45)

В реальных случаях, при точных расчетах тепловых шумов канала, следует учитывать влияние немодулированных сопротивле­ний стока и истока. В частности, значения S и А₁ для реальных ПТ с учетом немодулированного сопротивления истока равны:

, (4.46)

. (4.47)

Таким образом, для уменьшения тепловых шумов необходимо уменьшать немодулированное сопротивление истока и разрабаты­вать конструкции приборов, обладающих высокой крутизной S. Выражение (4.42) позволяет определить минимально возможные шумы при данной конструкции транзисторов.

Тепловой шум ПТ имеет нормальное распределение Гаусса в широком интервале частот. В инженерной практике обычно используют выражения (4.42) и (4.44), подставляя S вместо S_m и экспериментально определенные для каждого типа ПТ значения коэффициента А₁, вместо А_1m.

На низких частотах наиболее существенным видом шумов ПТ является генерационно-рекомбинационный шум. В области пространственного заряда p-n перехода затвора, из-за хаотической генерации электронов и дырок, обусловленных флуктуациями зарядных состояний генерационно-рекомбинационых центров Шокли-Рида-Холла, наблюдаются шумы фликкер-эффекта, имеющие частное распределение . Генерационно-рекомбинационный шум p-n переходов реальных транзисторов обычно превышает предсказываемый теорией, изла­гаемой в [16], так как у реальных ПТ существует несколько различных типов генерационных центров Шокли-Рида-Холла.

Генерационные центры Шокли-Рида-Холла распределены по всему объему полупроводника. Поэтому флуктуации зарядов этих центров в канале также вызовут появление шумов.

Однако, уровень генерационно-реком­бинационного шума в канале существенно ниже, чем в p-n-пере­ходе, поэтому вкладом первого обычно пренебрегают.

Источником низкочастотного шума в ПТ являются и процессы генерации-рекомбинации на поверхности полупроводника: случайные захваты электронов ловушками, находящимися на по­верхности. Физическая причина возникновения шумов на поверх­ности аналогична причине генерационных шумов Шокли-Рида-Хол­ла. Поверхностный шум имеет частотную зависимость вида и обусловлен действием медленных изменений поверх­ностных состояний. Шум вызывается модуляцией скорости поверхностной рекомбинации. Химически адсорбирован­ные молекула отрываются от своих активных центров и диффунди­руют вдоль границы раздела Si – SiO₂ из-за броуновского движения до тех пор, пока они не захватываются другими центрами. Химическими адсорбированными молекулами, создающими медленные изменения поверхностных состояний, являются, например, моле­кулы воды, создающие на границе раздела Si – SiO₂ рекомбинационные центры. В случае ПТ с p-n-переходом, модуляция скорости поверхностной рекомбинации дает незначительный вклад в шумы ПТ, так как она не приводит к модуляции ширины объем­ного заряда в канале. Иначе обстоит дело в случае МДП-транзистора. МДП-транзистор управляется изменением состояния поверхнос­ти. Процесс управления происходит на границе раздела двух раз­нородных материалов – изолятора и полупроводника. На границе раздела наблюдается высокая концентрация поверхностных состоя­ний. Кроме того, изолятор имеет некристаллическую структуру и содержит дефекты, способные вызвать обмен заряда с полупровод­ником. Поэтому уровень шума фликкер-эффекта у МДП-транзисторов существенно выше, чем у ПТ с p-n. переходом. То, что МДП-транзисторы имеют более высокий уровень шума типа , как показано в [17], обусловлено наличием у них инверсионного слоя, т.е. связано с принципом их управления.

Дополнительными источниками шумов вида могут являть­ся паразитные МДП-структуры, образующиеся между контактными площадками истока – стока и областью затвора, над которыми они находятся. Влияние шумов паразитных МДП-структур на общий уровень собственных шумов ПТ обычно невелико. Оно более замет­но у транзисторов со сложной структурой. Так как шумы паразит­ных МДП-структур не модулируют ширину канала, то ими обычно при расчетах пренебрегают.

Одной из причин дополнительного увеличения шумов фликкер-эффекта является зависимость подвижности носителей от поля.

Шумы вида не поддаются точному расчету. На практике их учитывают, вводя в выражение для теплового шума член, пропорциональный :

, (4.48)

где f_Ф – граничная частота фликкер-эффекта. В работе [3] значение коэффициента  принято равным 1. При расчетах НЧ усилителей на ПТ обычно учитывают дробовый шум токов затвора:

. (4.49)

Для ПТ с p-n переходом:

. (4.50)

Учитывая, что составляющие представляют компоненты шумового тока, некоррелированные между собой, общий средне­квадратичный шумовой ток равен:

. (4.51)

В частности, при U_ЗИ = 0, шумовой ток равен:

. (4.52)

Продифференцировав (4.50) по U_ЗИ, найдем дифференци­альное входное сопротивление ПТ:

. (4.53)

Подставив значение I_ЗО из (4.53) в (4.52), получим уравнение для расчета среднеквадратичного шумового тока затвора ПТ при U_ЗИ = 0, совпадающее с формулой Найквиста:

. (4.54)

На высоких частотах у ПТ возникают шумы, обусловленные индуцированным током затвора. Причиной индуцированного тока затвора являются тепловые флуктуации в канале, которые через емкость затвор – канал проникают во входную цепь.

Как показано в [6] индуцированный ток затвора ПТ с p-n переходом определяется выражением:

, (4.55)

где коэффициент А₂ = 0,3 ÷ 0,4 – является функцией потенциа­лов на электродах ПТ.

Индуцированный ток затвора МДП-транзисторов, равен

, (4.56)

где С – емкость затвор – канал.

Выражения (4.55) и (4.56) совпадают при условии:

. (4.57)

На рисунке 4.5 изображена эквивалентная схема, отражающая рассмотренные выше источники собственных шумов ПТ. В эквивален­тной схеме, приведенной на рисунке 4.5, учтены источники тепловых шумов, обусловленные наличием у реального ПТ немодулированных сопротивлений истока и стока r_И и r_C, а также омическое сопротивление контакта затвора. Кроме того, учтено, что реаль­ный ПТ помимо напряжения U_ЗИ затвор-исток, управляет дополнительным напряжением U_И, образующимся при протекании тока стока через немодулированное сопротивление истока.

Рис. 4.5. Шумовая модель ПТ