4.7. Шумы полупроводниковых диодов

Ток, протекающий через p-n-переход, может быть представлен алгебраическойсуммой встречных токов:

(4.1)

где – ток основных носителей, преодолевших потенциальный барьер; – ток неос­новных носителей, для которых переход не является барьером.

Каждый из токов, фигурирующих в (4.1), может быть разбит на среднюю и шумо­вую составляющие,,. С учетом этого из (4.1) следует связь шумовых токов

(4.2)

причем средние составляющие и связаны соотношением (3.40):

(4.3)

Поскольку шумы истатистически независимы (токи шумов движутся через барьер из разных областей перехода), то средний квадрат шума результирующеготока с учетом этого и в соответствии с (4.2) находится суммированием средних квад­ратов шумовых токови:

(4.4)

Величины иопределяются по формуле дробового шума (см. Приложение, (П1.11),т.е.

Используя это в (4.4), находим

(4.5)

Но из (4.3) следует , что позвляет переписать (4.5) следующим об­разом:

(4.6)

Эта формула широко используется при анализе шумов приборов, содержащих р-n-переходы: диодов и транзисторов. Отметим, что она получена при рассмотрении неравновесного состояния, т.е. в условиях протекания тока через переход, к которому подведено напряжение от внешнего источника. Именно в этих условиях шум тракту­ется как дробовый. При равновесии (U = 0) результирующий ток через переход = 0 и из (4.6) следует:

(4.7)

Можно показать, что природа шума перехода в этом случае тепловая. Действи­тельно, из (4.3) дифференциальная проводимость диода при равновесии с учетом того, что. Это позволяет выразить через: . Подстановка в (4.7) приводит к результату

(4.8)

что совпадает с формулой теплового шумя (резистора с проводимостью (сравнить с (П1.8) приR=1/).

Заметим, что формула (4.6) справедлива для относительно низких частот, на ко­торых не проявляется частотная зависимость дифференциальной проводимости пе­рехода. Более общей является предложенное Ван-дер-Зилом соотношение [35]

(4.9)

где g – зависящая от частоты дифференциальная проводимость перехода. На низких частотах gи последний член в правой части (4.9) исчезает.

В полупроводниковых диодах кроме рассмотренного дробового шума на низких частотах приходится учитывать генерационно-рекомбинационный шум (П1.12), избы­точный шум (П 1.15) и тепловые шумы омических сопротивлений областей и контак­тов. Влияние тепловых шумов можно в значительной степени уменьшить охлаждени­ем диодов. Лавинные шумы (П1.14) в случае лавинного пробоя при большом значе­нии коэффициента М могут значительно превысить дробовые шумы.