Эквивалентная шумовая температура излучения

Для описания шумов вводят так называемую эквивалентную шумовую температуру Т_R излучения. При этой температуре мощность теплового шума в проводнике равна мощности квантового (фотонного) шума. Приравнивая выражение (*) спектральной плотности теплового шума, описываемой формулой Планка, , получим в явном виде формулу для Т _R: .

Пример: в оптической области квантовый шум при l=500 нм соответствует шумовой температуре T_R = 70 000 К.

Минимальная мощность излучения, которую еще можно зарегистрировать, должна соответствовать S/N = 1. Иными словами, для непосредственного приема с помощью идеального детектора справедливо соотношение . Эта мощность всего вдвое превышает предел, который получается из соотношения неопределенностей при . На обычном языке уравнение означает, что за время должен быть зарегистрирован в среднем один фотон.

В радио – и микроволновом диапазонах когерентное излучение получают с помощью специальных передатчиков. В области микроволн к ним примыкают мазеры. В оптическом и инфракрасном диапазонах источниками когерентного излучения служат лазеры.

Обычные источники света испускают так называемое тепловое излучение. Это излучение некогерентно, и фотоны в каждой моде подчиняются распределению Бозе‑Эйнштейна. В этом случае флуктуации могут быть существенно выше, чем у когерентных источников.

К отдельным источникам электрических шумов относят: реликтовое космическое излучение (электромагнитное излучение, свойства которого аналогичны свойствам излучения абсолютно черного тела с температурой Т» 3 К и максимум интенсивности которого приходится на длину волны l»1 мм, это излучение было открыто в 1965 г. Пензиасом и Вилсоном), шум космической плазмы и атмосферный шум, который радиоастрономами рассматривается как естественный, так как порождается макросистемами космического масштаба (атмосферой Земли, Солнцем, другими планетами и звездами, созвездиями и туманностями, галактиками). Последние два шума проявляют себя как радиопомехи, имеющие широкий и сложный линейчатый спектр с огромной разницей по интенсивности отдельных составляющих.

[1] Гарри Найквист (Harry Nyquist) один из пионеров теории информации. Работая инженером в Лаборатории Белла, Гарри Найквист провёл важные исследования по теории теплового шума («шум Джонсона-Найквиста»), устойчивости обратной связи в усилителях, телеграфии, факсимильной передачи, телевидения и других важных телекоммуникационных проблем. В 1927 году Найквист определил, что число независимых импульсов, которые могут быть переданы в единицу времени без искажений, ограничено двойной шириной частотного диапазона канала связи.

В 1928 году Джон Б. Джонсон впервые экспериментально установил закономерности этого вида шума в Bell Labs. Затем он описал своё открытие Гарри Найквисту, который смог объяснить явление теплового шума. В отсутствие тока протекающего через электрическое сопротивление, среднее квадратичное напряжение зависит от сопротивления R, k_BT, и ширины частотного диапазона измерений Δν:.

[2] Название "фликер-шум" ‑ от англ. flicker - мерцание. Впервые этот вид шума был обнаружен при изучении шумов электронных приборов. В частности, при протекании постоянного тока через резистор помимо обычного теплового шума наблюдаются флуктуации с характерной спектральной плотностью, обратно пропорциональной частоте (отсюда еще одно название - 1/f-шум). Первоначально считалось, что возникновение этого шума объясняется случайными флуктуациями числа носителей заряда, приводящими к изменению сопротивления и, следовательно к колебаниям ("мерцанию") тока (напряжения).

В дальнейшем было выяснено, что появлением фликер-шума сопровождается гораздо более широкий спектр явлений (электрических, химических, биологических, социальных и т.д.), что свидетельствует о наличии общих закономерностей его возникновения. Несмотря на то, что флуктуациями числа носителей заряда не объясняются все свойства фликер-шума, первоначальное название сохранилось.

[3] Полевой транзистор ‑ полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ (биполярными транзисторами), элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторы. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 22 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1-2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

[4] Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.

Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.

Интегральный резистор. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.

[5] p-n-переход (n – negative ‑ отрицательный, электронный, p – positive ‑ положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход ‑ область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.