23.5. Внутренние шумы полупроводниковых приборов

Большой интерес представляет изучение электрических флуктуации в полупроводниках и полупроводниковых приборах (ППП), поскольку их изучение создает основу для глубокого понимания свойств полупроводниковых материалов и приборов. Представления о природе этих флуктуации могут быть использованы в качестве средства изучения физики полупроводниковых приборов и материалов. В частности, они позволяют более четко обнаружить некоторые физические явления и точнее определить физические параметры материалов и приборов по сравнению с другими методами. В полупроводниковых приборах имеют место тепловой шум, дробовой шум и низкочастотный шум. Тепловой шум обусловлен хаотическим движением носителей заряда в объеме полупроводника и их взаимодействием с кристаллической решеткой. Напряжение шума определяется по формуле Найквиста.

_шт²=4kTRП_ш. (23.16)

В транзисторе распределенное сопротивление базы r_б преобладает над распределенными сопротивлениями эмиттера и коллектора, поэтому при расчете уровня теплового шума учитывают только шумы базового сопротивления

_штб²=4KTr_бП_ш. (23.17)

Дробовой шум в ППП обусловлен флуктуацией числа носителей тока, пересекающих область пространственного заряда p-n - перехода. Флуктуации носителей тока в полупроводниковых приборах вызваны хаотическим процессом генерации и рекомбинации. Интенсивность дробовых шумов по аналогии с ламповыми диодами определяется по формуле Шоттки:

I_др²=2qI₀П_ш. (23.18)

Дробовые шумы возникают как в эмиттерном, так и в коллекторном переходах транзистора и их среднеквадратичные напряжения вычисляются соответственно:

=2qr_э²(I_э+I_э0)П_ш (23.19)

_дрк²=2qr_к²(h_21б I_э+I_к0) П_ш (23.20)

где r_э, r_к - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n - переходов соответственно; h_21Б - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой; I_э0 - обратный ток эмиттерного p-n - перехода: I_э - ток эмиттера.

Если теория тепловых и дробовых шумов достаточно полно разработана применительно к широкой классу ППП и получила хорошее экспериментальное подтверждение, то такого заключения еще невозможно сделать по низкочастотному шуму. На основе многочисленных данных экспериментального исследования внутренних шумов ППП в области низких частот можно отметить следующие свойства:

- слабая температурная зависимость;

- сильная зависимость уровня от состояния поверхности реального прибора;

- зависимость шума от механических деформаций, дозы радиации, плотности дислокации и дефектов структуры.

Спектральная плотность мощности шума в области низких частот имеет вид:

G(f) =AIⁿf^--f. (23.21)

где I – ток, протекающий через p-n переход;

А - коэффициент, учитывающий физические свойства прибора;

n - показатель токовой зависимости (n12);

=0,52 – коэффициент частотной зависимости, определяющий скорость спада спектральной плотности;

Наиболее вероятной причиной возникновения низкочастотного шума считается флуктуация плотности носителей заряда, вызывающая флуктуации проводимости. Последние, в свою очередь, могут быть вызваны следующими причинами: генерация-рекомбинация носителей; флуктуация высоты потенциального барьера; туннельное прохождение носителей через потенциальный барьер диффузии носителей. Указанные процессы могут протекать как в объеме, так и на поверхности полупроводникового прибора. Одними из основных источников низкочастотного шума в полупроводниковых приборах являются дефекты кристаллической решетки, рассмотренные выше. Эти дефекты создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне, которые могут проявлять себя в качестве рекомбинационных центров. Причем время захвата этих центров может принимать значения до нескольких минут, тем самым существенное влияние оказывают на электрические свойства р-n перехода. Расчеты, проведенные для объемного центра, локализованного в обедненной области р-n перехода показывают, что случайные процессы эмиссии носителей заряда глубоких центров приводят к большой постоянной времени и появлению НЧ шумов. Уровень шума определяется концентрацией дефектных уровней. Среди различных моделей НЧ шума можно выделить модели, которые связывают происхождение шума со свойствами поверхности полупроводников. Эти модели основываются на случайном распределении поверхностного потенциала, образуемого статистическим распределением связанных зарядов, локализованных в оксидном слое. Полученные результаты находят достаточно точное экспериментальное подтверждение.

Одной из разновидностей НЧ шума является "взрывной шум". Этому вопросу в последнее время посвящено значительное число работ. Источник взрывного шума пока не вполне ясен, но считается, что он связан с наличием тонких, сильно легированных эмиттерных переходов. Появление и исчезновение импульсов связывается с одной ловушкой в области пространственного заряда. Наиболее правдоподобной теорией взрывного шума следует считать дислокационную теорию, находящуюся в хорошем согласии с экспериментом. Таким образом, в полупроводниковых приборах имеются следующие процессы обусловливающие НЧ шумы: а) флуктуация тока за счет захвата носителей объемными центрами, локализованными в однородных областях кристалла; б) флуктуация тока вследствие флуктуации высоты потенциального барьера р-n - перехода; в) флуктуации тока за счет захвата и эмиссии носителей заряда медленными поверхностными состояниями; г) флуктуации тока вследствие изменения потенциала в при поверхностной области p-n перехода.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лекция №1 4

Введение в дисциплину 4

«Схемотехника аналоговых электронных устройств» 4

1.1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах 4

7

1.2.Программа дисциплины 7

1.3.Балльно-рейтинговая система оценки знаний. 11

1.4.Рекомендуемая литература. 13

Качественные показатели и характеристики 15

аналоговых электронных устройств. 15

2.1. Основные определения 15

2.2. Входные и выходные показатели. 17

2.3.Коэффициент усиления. 18

2.4. Амплитудно-частотная характеристика. 20

2.5.Фазовая характеристика. 22

2.6. Амплитудная характеристика. 22

2.7. Нелинейные искажения. 24

2.8. Переходная характеристика. 25

Лекция №3 26

Основы построения электронных усилителей 26

3.1. Принципы построения усилительных устройств. 26

3.2. Построение усилительного каскада на электронной лампе. 26

3.3. Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах. 29

3.4. Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ. 31

3.5. Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах. 33

3.6. Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде. 36

3.7. Схемы межкаскадной связи. 37

Лекция №4 40

Обеспечение и стабилизация режима работы 40

усилительного элемента по постоянному току. 40

4.1. Режим работы усилительного элемента. 40

4.2. Цепи подачи смещения. 42

4.3. Стабилизация рабочей точки биполярных транзисторов. 44

Лекция №5 48

Предварительные усилители напряжения 48

5.1. Общие сведения о предварительных усилителях. 48

5.2. Принципиальные схемы предварительных усилителей. 49

5.3. Эквивалентная схема усилителя. 51

5.4. Методика анализа резисторного каскада 54

предварительного усилителя. 54

Лекция №6 56

Анализ каскада предварительного усиления. 56

6.1. Анализ резисторного каскада в области средних частот. 56

6.2. Анализ резисторного усилителя на высоких частотах. 57

6.3. Анализ резисторного каскада в области нижних частот. 61

Лекция №7 66

Импульсные и широкополосные усилители. 66

7.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей. 66

7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен 69

7.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен 71

Лекция №8 74

Цепи коррекций в импульсных и широкополосных усилителях 74

8.1. Назначение корректирующих цепей 74

8.2. Простая индуктивная высокочастотная коррекция 74

8.3. Эмиттерная высокочастотная коррекция 78

8.4. Низкочастотная коррекция 79

Лекция №9 83

Выходные каскады усилителей 83

9.1. Общие сведения о выходных каскадах 83

9.2. Способы построения однотактных выходных каскадов 84

9.3. Эквивалентная схема трансформаторного каскада 87

9.4. Выходные динамические характеристики 88

9.5. Построение ВДХ для каскада с емкостной связью 89

9.6. Построение ВДХ для трансформаторного каскада 91

9.7. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А 93

9.8. Анализ однотактного трансформаторного 94

усилителя мощности в режиме А. 94

Лекция №10 97

Двухтактные выходные каскады 97

10.1. Резисторные двухтактные усилители напряжения 97

10.2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности 98

10.3. Работа двухтактного каскада в режиме В. 99

10.4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности 104

10.5. Фазоинверсные схемы 105

Лекция №11 108

Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности 108

11.1 Общие сведения 108

11.2. Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности 108

11.3. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной 111

симметрией 111

11.4. Бестрансформаторный усилитель мощности на 112

составных транзисторах 112

Лекция №12 115

Курсовое проектирование 115

12.1. Цель курсового проектирования 115

12.2 Содержание и тематика проекта 116

12.3. Правила выполнения и оформления курсового проекта 117

12.4. Организация работ и последовательность проектирования 119

Лекция №13 121

Обратная связь в аналоговых электронных устройствах 121

13.1. Классификация видов обратной связи 121

Рис.13.1. Структурные схемы усилителей 121

13.2. Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ 123

13.3. Влияние ООС на входное и выходное сопротивления. 125

13.4. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику 126

Лекция №14 128

Усилительные каскады с различными видами обратной связи 128

14.1. Усилительные каскады с последовательной ООС по току 128

14.2. Влияние элементов автоматического смещения и эммитерной стабилизации на АЧХ 129

14.4 Усилительный каскад с паралелльной ООС по напряжению 131

14.5. Усилитель с глубокой обратной связью 132

14.6. Истоковые и эмиттерные повторители 132

Лекция №15 135

Усилители постоянного тока 135

15.1. Назначение и особенности построения 135

15.2. УПТ с непосредственной связью 136

15.3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения 137

15.4. Дрейф нуля и способы его уменьшения 139

15.5. Балансные усилители постоянного тока 140

142

Лекция №16 143

Специальные каскады УПТ 143

16.1. Дифференциальные усилители 143

16.2. Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала 145

16.3. УПТ с использованием оптрона 147

Лекция №17 149

Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах 149

17.1. Общие сведения об интегральных микросхемах 149

17.2. Особенности интегральной схемотехники 151

17.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах. 154

17.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах 157

Лекция №18 160

Операционные усилители 160

18.1. Общие сведения об операционных усилителях 160

18.2. Принципиальные схемы операционных усилителей 161

18.3. Свойства и характеристики ОУ 163

Лекция №19 167

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Коррекция ОУ 167

19.1. Диаграмма Боде 167

19.2. Обеспечение устойчивости ОУ 170

19.3. Коррекция частотной характеристики ОУ 171

173

Лекция №20 173

Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов 173

20.1. Неинвертирующий усилитель 173

20.2. Суммирующее устройство 175

20. 3. Повторитель напряжения 176

20.4. Инвертирующий усилитель 177

20.5. Вычитающее устройство 178

20.6. Интегрирующее устройство 179

20.7. Дифференцирующее устройство 181

20.8. Логарифмирующее устройство 182

Лекция №21 183

Активные фильтры 183

21.1. Общие сведения об активных фильтрах 183

21.2. Пассивные RС – фильтры 183

21.3. Реализация активных фильтров 185

21.4. Активные фильтры высокого порядка 187

21.5. Полосовые и заграждающие АФ 187

21.6. Общие сведения о регулировках тембра 189

21.7 Принцип регулировки тембра на основе АФ 190

21.8. Регулятор тембра на основе АФ 191

Лекция №22 193

Регулировка усиления 193

22.1. Общие сведения о регулировках усиления 193

22.2. Регулировка усиления изменением входного сигнала 194

22.3. Тонкомпенсирующие регуляторы усиления 195

22.4. Регулировка усиления изминением режима работы 196

усилительного элемента 196

22.5. Регулировка изменением глубины обратной связи. 197

При перемещении движка потенциометра меняется номинал резистора Rос, следовательно, меняется коэффициент передачи обратной связи и коэффициент усиления данного усилителя. 197

Лекция №23 198

Внутренние шумы 198

23.1. Общие сведения о внутренних шумах 198

23.3. Шумы электрических цепей 201

23.4. Шумы электронных ламп 203

23.5. Внутренние шумы полупроводниковых приборов 204

212