29. Природа шумов в птш. Шумовая схема полевого транзистора. Анализ экспериментальных шумовых характеристик и их интерпретация.

• В полевом транзисторе различают:

• 1) Тепловой шум (канала)

• 2) Дробовый шум (барьер, подложка)

• 3) Фликкер   - (медлен. состояние в барьере, подложке).

Если говорить об амплитудных шумах ПТ, то наиболее велик тепловой шум канала.

При расчете шумов ПТ невозможно использовать простую формулу Найквиста, т. к. процесс протекания тока через канал ПТ является принципиально неравновесным и температура носителей изменяется от точке к точке.

Вклад отдельных областей токового канала в результирующий шум будут существенно различаться. Так, истоковые области транзистора играют определяющую роль в шуме (в интегральной мощности шумов), а стоковые части практически слабо влияют на результативную мощность шумов.

Транзистор можно рассмотреть как распределенный усилитель. Как в схеме каскадного усиления определяющимся по шуму являются входные каскады, так и в ПТ определяющими являются истоковые области.

Рассмотрим прежде всего шумы собственно транзистора без учета вклада паразитных сопротивлений истока и затвора. Анализ осуществим, заменяя транзистор соединением отдельных парциальных транзисторов, как это показано на рисунке 1.

Рис. 1 Метод представления шумов в токовом канале

Более существенным фактором выступает разница в итоговом коэффициенте усиления (шумового и полезного сигналов) для каждого из рассматриваемых слоев (транзисторов). Для входных слоев он максимален, поэтому их вклад в коэффициент шума определяющий.

Для расчета шумовых источников в каждом из парциальных транзисторов воспользуемся формулой Ван дер Зила для выбранного участка с электронной температурой , коэффициентом диффузии , толщиной токового канала :

Эта шумовая флюктуация тока вызовет изменение шумового напряжения на рассматриваемом участке , т. е. . Дифференциальное сопротивление можно рассчитать по приращению напряжения на рассматриваемом участке при изменении тока стока : . Найдем шумовое напряжение на элементе :

В этом выражении сомножитель ( ) определяет некоторое поле, называемое импедансным полем. Для определения суммарного напряжения на всей длине парциального транзистора необходимо проинтегрировать правую часть от до :

Этот метод расчета шумового напряжения называется методом импедансного поля.

Для расчета шумов на выходе транзистора представим каждый парциальный транзистор его эквивалентной схемой, как это показано на рисунке 2. Источник шумового напряжения для каждого транзистора включается последовательно с дифференциальным сопротивлением канала .

Пересчет этой схемы с использованием метода эквивалентных источников позволяет получить схему, показанную на рисунке 3.

Рис. 2 Шумовая модель соседних парциальных транзисторов

Рис. 3 Эквивалентная шумовая схема транзистора

В данной схеме эквивалентные шумовые источники представлены в виде двух шумовых источников тока на входе и выходе . В общем случае эти источники коррелированы между собой, т. е. коэффициент корреляции

Численный анализ шумовых параметров и сравнение их с экспериментом показали, что в большинстве случаев с приемлемой для практики точностью можно ограничиться одним шумовым источником на входе.

В общем случае рассматриваемые шумовые источники можно записать в виде

где – эквивалентные шумовые проводимости полевого транзистора.

Расчет минимального коэффициента шума для собственно транзистора дает следующее соотношение:

где – переходная проводимость (крутизна). Формула (1) определяет шумы при некоторых оптимальных параметрах согласующей схемы на входе:

Для нахождения коэффициента шума всего транзистора в схему добавляются шумовые источники паразитных сопротивлений. Для их определения можно воспользоваться формулой Найквиста:

где - паразитное сопротивление истоковой области, - сопротивлениеметаллизациизатвора.

Рис. 4 Зависимость коэффициента шума от режима работы транзистора

На рисунке 4 на фоне входной характеристики и семейства выходных пунктиром показаны экспериментальные зависимости коэффициента шума . Характерной особенностью экспериментальной зависимости является наличие минимума коэффициента шума при токе , где — ток при нулевом напряжении на затворе. Этот факт противоречит d0 высказаному положению о снижении шума при уменьшении тока. Противоречие устраняется при учете влияния буферного слоя. При малых токах (суженный канал) электроны разогреваются уже в начальной части транзистора и приобретают возможность преодолеть барьер и дрейфовать в буферном слое. Это приводит к снижению переходной проводимости (крутизны), уменьшению усиления, а соответственно к увеличению коэффициента шума. С этой точки зрения наименьшими шумами должен обладать симметричный транзистор, в котором нет ухода тока в буферный слой.

В настоящее время на классических ПТШ достигнут коэффициент шума в диапазон 10…12 ГГц.