 |
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= 4kTRПш. (23.16)
В транзисторе распределенное сопротивление базы rб преобладает над распределенными сопротивлениями эмиттера и коллектора, поэтому при расчете уровня теплового шума учитывают только шумы базового сопротивления
штб2= 4KTrбПш. (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:
Iдр2= 2qI0Пш. (23.18)
Дробовые шумы возникают как в эмиттерном, так и в коллекторном переходах транзистора и их среднеквадратичные напряжения вычисляются соответственно:
= 2qrэ2(Iэ+Iэ0)Пш (23.19)
дрк2= 2qrк2(h21б Iэ+Iк0) Пш (23.20)
где rэ, rк - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n - переходов соответственно; h21Б - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой; Iэ0 - обратный ток эмиттерного p-n - перехода: Iэ - 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--gDf. (23.21)
где I – ток, протекающий через p-n переход;
А - коэффициент, учитывающий физические свойства прибора;
n - показатель токовой зависимости (n»1¸2);
g=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 Введение в дисциплину 3
«Схемотехника аналоговых электронных устройств» 3
1.1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах3
1.2.Программа дисциплины5
1.3.Балльно-рейтинговая система оценки знаний. 7
1.4.Рекомендуемая литература. 8
|
|
|
Лекция №2 Ошибка! Закладка не определена.
Качественные показатели и характеристики 9
аналоговых электронных устройств. 9
2.1. Основные определения9
2.2. Входные и выходные показатели. 10
2.3. Коэффициент усиления. 11
2.4. Амплитудно-частотная характеристика. 12
2.5.Фазовая характеристика. 13
2.6. Амплитудная характеристика. 14
2.7. Нелинейные искажения. 15
2.8. Переходная характеристика. 15
Лекция №3 Ошибка! Закладка не определена.
Основы построения электронных усилителейОшибка! Закладка не определена.
3.1. Принципы построения усилительных устройств. 16
3.2. Построение усилительного каскада на электронной лампе. 17
3.3. Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах. 18
3.4. Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ. 19
3.5. Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах. 20
3.6. Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде. 22
3.7. Схемы межкаскадной связи. 23
Лекция №425
Обеспечение и стабилизация режима работы 25
усилительного элемента по постоянному току. 25
4.1. Режим работы усилительного элемента. 25
4.2. Цепи подачи смещения. 26
4.3. Стабилизация рабочей точки биполярных транзистров. 27
Лекция №530
Предварительные усилители напряжения 30
5.1. Общие сведения о предварительных усилителях. 30
5.2. Принципиальные схемы предварительных усилителей. 30
5.3. Эквивалентная схема усилителя. 32
5.4. Методика анализа резисторного каскада34
предварительного усилителя. 34
Лекция №6 Ошибка! Закладка не определена.
Анализ каскада предварительного усиления. Ошибка! Закладка не определена.
6.1. Анализ резисторного каскада в области средних частот. 35
6.2. Анализ резисторного усилителя на высоких частотах. 36
6.3. Анализ резисторного каскада в области нижних частот. 39
Лекция №7 Ошибка! Закладка не определена.
Импульсные и широкополосные усилители. 42
7.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей. 42
7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен43
7.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен45
|
|
|
Лекция №8 Ошибка! Закладка не определена.
Цепи коррекций в импульсных и широкополосных усилителяхОшибка! Закладка не определена.
8.1. Назначение корректирующих цепей47
8.2. Простая индуктивная высокочастотная коррекция47
8.3. Эмиттерная высокочастотная коррекция49
8.4. Низкочастотная коррекция50
Лекция №9 Ошибка! Закладка не определена.
Выходные каскады усилителей 52
9.1. Общие сведения о выходных каскадах52
9.2. Способы построения однотактных выходных каскадов53
9.3. Эквивалентная схема трансформаторного каскада54
9.4. Выходные динамические характеристики55
9.5. Построение ВДХ для каскада с емкостной связью56
9.6. Построение ВДХ для трансформаторного каскада57
9.7. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А58
9.8. Анализ однотактного трансформаторного59
усилителя мощности в режиме А. 59
Лекция №1061
Двухтактные выходные каскады 61
10.1. Резисторные двухтактные усилители напряжения61
10.2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности61
10.3. Работа двухтактного каскада в режиме В. 62
10.4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности65
10.5. Фазоинверсные схемы66
Лекция №1168
Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности 68
11.1 Общие сведения68
11.2. Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности68
11.3. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной70
симметрией70
11.4. Бестрансформаторный усилитель мощности на71
составных транзисторах71
Лекция №1273
Курсовое проектирование 73
12.1. Цель курсового проектирования73
12.2 Содержание и тематика проекта73
12.3. Правила выполнения и оформления курсового проекта73
12.4. Организация работ и последовательность проектирования74
Лекция №1376
Обратная связь в аналоговых электронных устройствах 76
13.1. Классификация видов обратной связи76
Рис.13.1. Структурные схемы усилителей77
13.2. Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ77
13.3. Влияние ООС на входное и выходное сопротивления. 78
13.4. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику79
Лекция №1480
Усилительные каскады с различными видами обратной связи 80
14.1. Усилительные каскады с последовательной ООС по току81
14.2. Влияние элементов автоматического смещения и эммитерной81
стабилизации на АЧХ81
14.4 Усилительный каскад с паралелльной ООС по напряжению82
14.5. Усилитель с глубокой обратной связью83
14.6. Истоковые и эмиттерные повторители84
Лекция №1585
Усилители постоянного тока 85
15.1. Назначение и особенности построения85
15.2. УПТ с непосредственной связью86
15.3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения86
15.4. Дрейф нуля и способы его уменьшения87
15.5. Балансные усилители постоянного тока88
|
|
|
Лекция №1689
Специальные каскады УПТ 90
16.1. Дифференциальные усилители90
16.2. Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала92
16.3. УПТ с использованием оптрона92
Лекция №1793
Аналоговые электронные устройства 93
на интегральных микросхемахОшибка! Закладка не определена.
17.1. Общие сведения об интегральных микросхемах94
17.2. Особенности интегральной схемотехники95
17.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.97
17.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах99
Лекция №18100
Операционные усилители 100
18.1. Общие сведения об операционных усилителях100
18.2. Принципиальные схемы операционных усилителей101
18.3. Операционный усилитель 153 серии Ошибка! Закладка не определена.
18.4. Свойства и характеристики ОУ102
Лекция №19105
Амплитудно-частотная характеристика ОУ. Коррекция ОУ 105
19.1. Диаграмма Боде105
19.2. Обеспечение устойчивости ОУ107
19.3. Коррекция частотной характеристики ОУ108
Лекция №20109
Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов 110
20.1. Неинвертирующий усилитель110
20.2. Суммирующее устройство111
20. 3. Повторитель напряжения112
20.4. Инвертирующий усилитель112
20.5. Вычитывающее устройство113
20.6. Интегрирующее устройство114
20.7. Дифференцирующее устройство115
20.8. Логарифмирующее устройство116
Лекция №21117
Активные фильтры 117
21.1. Общие сведения об активных фильтрах117
21.2. Пассивные RС – фильтры117
21.3. Реализация активных фильтров119
21.4. Активные фильтры высокого порядка119
21.5. Полосовые и заграждающие АФ120
21.6. Общие сведения о регулировках тембра121
21.7 Принцип регулировки тембра на основе АФ122
21.8. Регулятор тембра на основе АФ122
Лекция №22124
Регулировка усиления 124
22.1. Общие сведения о регулировках усиления124
22.2. Регулировка усиления изменения входного сигнала124
22.3. Тонкомпенсирующие регуляторы усиления125
22.4. Регулировка усиления изминением режима работы126
усилительного элемента126
22.5. Регулировка изменением глубины обратной связи.126
Лекция №23127
Внутренние шумы 127
23.2. Шумы электрических цепей129
23.3. Шумы электронных ламп130
|
|
|
