Флуктуации и шумы в физических системах.

Цели и задачи курса:

 ознакомиться с основными видами шумов в полупроводниках, в компонентах ИС и в современных электронных приборах;

 указать на области применения электрических шумов в различных областях науки и техники;

 дать общие подходы к пониманию различных физических процессов, протекающих в полупроводниках, ИС и электронных приборах;

 данная дисциплина поможет будущим специалистам легче ориентироваться в самых сложных вопросах современной микроэлектроники, а также в других областях знаний, будет способствовать более глубокому пониманию различных явлений в Природе.

Основная литература

1. М. Букингем. Шумы в электронных приборах и системах. М., Мир, 1986, с. 386.

2. Г.П. Жигальский. Физические явления в тонких металлических пленках. Учебное пособие по курсу «Физика пленок». М., МИЭТ, 1996, с. 193.

3. Physics–Uspekhi, УФН. 1997 и 2003. См.: НАЙТИ в Интернете “G.P. Zhigal'skii,” или “Г.П. Жигальский”.

Некоторые сведения о флуктуациях.

 Флуктуации являются характеристиками физических параметров макромира и макросистем.

Примеры:

 Флуктуации давления газа в равновесной системе.

 Переход от механики Ньютона к статистической механике:

а) В механике Ньютона скорость частицы v при равно-мерном движении постоянна: v = v₀, путь х = v₀t, х²  t².

б) При движении малой частицы в вязкой среде скорость v = v₀ + v(t), где v(t) – флуктуации скорости,

вызванные флуктуациями силы трения F_тр (t)= k_тр (t)v.

в) Для броуновской частицы , т.е.  t.

 Флуктуации напряжения U(t) и тока I(t) в компонентах ИС и электронных приборах.

Здесь слова “флуктуации” и “шум” – синонимы.

 Флуктуации напряжения и тока в электронных приборах (шумы) определяют нижние пределы их чувствительности. При высоком уровне шума информация может стать вообще недоступной.

Сигнал под шумом.

 Шумы в радиофизике рассматриваются как вредный фaктор. Поэтому их всегда стараются уменьшить, особенно в высокочувствительных измерительных и радиоприемных устройствах.

 В настоящее время операторы сотовой связи переходят на работу в область радиочастот 1,8–2 ГГц.

 Однако затухание в этом диапазоне по сравнению с диапазоном 900 МГц приблизительно на 9 дБ выше.

 Вместе с тем многие ученые считают, что электромагнитное излучение отрицательно влияет на здоровье человека и является причиной заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем, появлению различных опухолей.

 Биологический эффект воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) определяется дозой, поглощенной тканями живого организма.

 Все чаще в научных отчетах встречаются данные, устанавливающие связь между мобильным телефоном и повышенным риском заболевания раком мозга. Уже встречались сообщения ученых из США и Швеции об учащении возникновения злокачественных опухолей именно с той стороны, где обычно во время разговора находится сотовый телефон.

 12 исследовательских групп из 7 европейских стран на протяжении 4 лет изучали воздействие излучения мобильных телефонов на клетки животных и человека и сделали вывод: электромагнитное излучение повреждает ДНК, что может привести к различным заболеваниям.

 Новые данные, опубликованные Ирландской ассоциацией врачей-экологов, свидетельствуют о том, что в этой стране уже каждый двадцатый ее житель стал жертвой излучения собственных мобильных телефонов. Симптомами переоблучения, по данным ирландских специалистов, являются: усталость, спутанность сознания, головокружение, бессонница или нарушение сна, тошнота, раздражение кожи. Подобная симптоматика зарегистрирована в большинстве стран, где мобильная связь получила широкое распространение. Результаты других аналогичных исследований также внушают немалую тревогу. Сообщается о том, что мобильные телефоны могут провоцировать астму и экзему, разрушают клетки крови.

 Английские исследователи установили, что через шесть минут температура кожи вблизи от телефона возрастает на 2 – 3°, изменяется поток воздуха, вдыхаемого через нос, со стороны, ближайшей к телефону.

 Опасность, которую мобильный телефон представляет для развивающегося организма детей, в настоящее время мало кем оспаривается, в Великобритании, например, была прекращена продажа сотовых телефонов, разработанных специально для детей.

 Чувствительность радиоэлектронных устройств, работающих в гигагерцовом диапазоне частот, в частности, телефонов мобильной связи определяется в основном тепловыми шумами. Для снижения тепловых шумов используют охлаждение электронной аппаратуры вплоть до температуры жидкого гелия (4,2 К), что позволило создать радиоприемные устройства, обладающие чрезвычайно низким уровнем собственного шума.

 С другой стороны,флуктуации содержат ценную информацию о динамическом поведении любой системы. Поэтому из анализа шумов можно исследовать характеристики системы, определить некоторые ее параметры. В этом случае флуктуации используются для получения полезной информации о состоянии системы, о протекающих в ней процессах, создающих шум, как таковой.

 Шумы широко используют для неразрушающего контроля качества ИС и электронных приборов.