3.6. 1/F шум

Этот вид шума наблюдается при прохождении переменного тока I₀sin[₀t +₀(t)] с амплитудойI₀ и угловой частоты₀через резистор или любой другой пассивный двухполюсник, сопротивление которого флуктуирует по закону 1/f. В этом случае происходит амплитудная модуляция синусоидального сигнала 1/f шумом.

Пусть зависимость флуктуаций сопротивления во времени подчиняется закону 1/f. При этом сопротивление, гдеR₀– средняя величина сопротивления. Выражение для падения синусоидального напряжения на резисторе имеет вид:

U(t) = I₀ sin [₀t + ₀(t)] = U₀(t) sin [₀t + ₀(t))], (3.36)

где U₀(t) = I₀– амплитуда синусоидального сигнала, модулированная 1/fшумом вследствие флуктуаций сопротивленияпо закону 1/f.

На рис. 3.11 показан спектр 1/fшума, как результат амплитудной модуляции синусоидального сигнала 1/f шумом. Как видно из рисунка, спектр 1/fшума сосредоточен на боковых частотахвблизи несущей частоты₀.

Рис. 3.11. Спектр 1/fшума. U₀– амплитуда синусоидального сигнала с угловой частотой₀.

1/fшум наблюдается во всех типах генераторов электрических колебаний (в LC-автогенераторах, RC-генераторах, кварцевых генераторах и др.) вследствие амплитудной модуляции генерируемого синусоидального сигнала 1/fшумом, возникающим в пассивных и активных компонентах устройств.

3.7. Взрывной шум или шум в виде случайного телеграфного сигнала.

В дополнение к рассмотренным выше видам шумов, в различных типах твердотельных приборов наблюдается еще один тип электрического шума – импульсный (взрывной) шум, проявляющийся в ступенчатых изменениях уровня сигнала. Этот вид шума проявляет себя как двухуровневый случайный телеграфный сигнал (СТС) одинаковой высоты импульсов тока Iсо случайно распределенными интервалами времени между импульсами и с переменной длительностью (t₁иt₂) (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Типичный вид взрывного (СТС) шума для тока электронного прибора с наложенным на него белым шумом.

Иногда наблюдаются более сложные многоступенчатые сигналы с тремя и более уровнями. Предполагается, что механизм взрывного шума в p-n переходах при обратном смещении связан с нерегулярным включением – выключением канала поверхностной проводимости. Причиной взрывного шума в p-n переходах при прямом смещении принято считать дефекты кристалла в области самого перехода. Экспериментальные данные указывают на то, что это – дислокации в кристаллической структуре.

Импульсный шум в виде СТС может наблюдаться также в металлических пленках субмикронных размеров и в микроконтактах, содержащих небольшое число центров рассеяния носителей заряда, а также стоков-источников вакансий. Так, наблюдали двухуровневые мезоскопические флуктуации сопротивления в точечных контактах из пленок золота диаметром 2a  5-30 нм с относительно высоким контактным сопротивлением (R > 10 Ом) при низких напряжениях смещения (U_см  50 мВ) и температуре T  4,2 К. Контакты работали в баллистическом режиме транспорта носителей (при выполнении условия: a  l_e, где l_e – длина свободного пробега электронов). Этот шум контактов, связанный с переключениями контактного сопротивления между дискретными уровнями, имел лоренцевский спектр. Скорость переключения быстро возрастала с увеличением смещающего напряжения. На основе проведенных исследований найдены сечения рассеяния дефектов, которые оказались порядка размера атома.

В субмикронных полевых транзисторах часто наблюдается шум в виде случайного телеграфного сигнала. Амплитуда этих импульсов мала и соответствует переходу одного носителя из канала на ловушку в оксиде и обратно, приводящему к скачкообразному изменению сопротивления (проводимости) канала из-за изменения в нем числа носителей заряда. При этом в полевых транзисторах субмикронных размеров можно изучать динамику захвата и эмиссии носителей заряда отдельными ловушками, а также определять физические параметры глубоких ловушечных центров. Чем меньше размер структуры, тем вероятнее наблюдение действия одиночных центров захвата-эмиссии электронов, и как следствие, наблюдение шума в виде СТС.

Теоретический анализ влияния масштабирования на НЧ шум кремниевых МОП транзисторов показал, что при длине канала L = 7…10 мкм разброс по уровню шума от прибора к прибору из-за захвата носителей на ловушки составляет 2 – 3 раза. В то же время для приборов с длинной канала L = 0,1…0,3 мкм разброс по уровню шума превышает 3 порядка величины.

Развитие субмикронной технологии способствовало изучению шума, проявляющегося в виде СТС. Как показывает анализ проведенных различными авторами исследований, три типа избыточного шума в полупроводниковых приборах, обусловленного флуктуациями числа свободных носителей: ГР шум, фликкер-шум (модель флуктуаций числа носителей - n-модель) [1] и взрывной шум имеют общую физическую природу. При переходе к наноразмерным структурам преобладающим становится СТС шум.Cувеличением размера прибора в полупроводниках возрастает число центров захвата носителей (ловушек) и СТС шум переходит в шум со спектром вида 1/f. В металлических пленках с увеличением размера пленочного элемента возрастает число стоков-источников вакансий. В связи с этим возрастает и концентрация квазиравновесных вакансий в образце, имеющих широкий спектр энергий активации, флуктуации которой дает шум вида 1/f(см. раздел 2, Б).

Разрыв металлизации или нарушение омического контакта в контактном окне с активными областями в цифровых КМОП ИМС также может приводить к появлению флуктуаций тока потребления в виде СТС (см. раздел 6).

СП взрывного шума имеет лоренцевский спектр, аналогичный ГР шуму:

(3.37)

где A- постоянная,₀- среднее время, определяемое соотношением:

. (3.38)

Здесь ₁и₂- средние величины длительностиt₁иt₂(см. рис. 3.11) в каждом из двух состояний (захвата и эмиссии носителей ловушками в полупроводниках, или генерации и аннигиляции точечных дефектов-вакансий в металлических пленках и микроконтактах).