Рассмотрение шумовых особенностей ПТ, как и любого другого активного компонента, включает в себя рассмотрение трех составляющих шума: тепловой, дробовой и составляющей шума фликкер-эффекта.
Источниками шумов ПТ являются: тепловые шумы канала, генерационный шум p-n-переходов, генерационный шум канала, поверхностные шумы фликкер-эффекта, шумы, вызванные паразитными МДП структурами, дробовые шумы токов затвора и стока, индуцированный шумтоков затвора.
Главный вклад в уровень собственных шумов ПТ вносят тепловые флуктуации носителей в канале. Напряжение тепловых шумов в канале модулирует ширину проводящего канала, в следствии чего в цепи стока появляется усиленное напряжение шумов.
Для транзисторов с p-n-переходом, имеющих p-канал, средне-квадратичное напряжение шума на выходе, определенное в узкой полосе D f , как продемонстрировано в [1], равняется:
, (4.42)
, (4.43)
где А1m – коэффициент, зависящий от конструкции прибора, Sm – крутизна чёрта передачи совершенного ПТ в рабочей точке, K – постоянная Больцмана, Т – температура в градусах Кельвина.
В работе [3] принято значение коэффициента А1m, равное 1. Дабы отыскать величину напряжения шумов в широкой полосе частот от f1 до f2, нужно проинтегрировать (4.42) по частоте в этих пределах:
. (4.44)
Выражение, полученное для расчета тепловых шумов канала МДП-транзистора, сходится с (4.43), причем в последнем случае значение коэффициента А1m равняется:
. (4.45)
В настоящих случаях, при точных расчетах тепловых шумов канала, направляться учитывать влияние немодулированных сопротивлений истока и стока. В частности, значения S и А1 для настоящих ПТ с учетом немодулированного сопротивления истока равны:
, (4.46)
. (4.47)
Так, для уменьшения тепловых шумов нужно уменьшать немодулированное сопротивление истока и разрабатывать конструкции устройств, владеющих высокой крутизной S. Выражение (4.42) разрешает выяснить минимально вероятные шумы при данной конструкции транзисторов.
Тепловой шум ПТ имеет обычное распределение Гаусса в широком промежутке частот. В инженерной практике в большинстве случаев применяют выражения (4.42) и (4.44), подставляя S вместо Sm и экспериментально определенные для каждого типа ПТ значения коэффициента А1, вместо А1m.
На низких частотах самый существенным видом шумов ПТ есть генерационно-рекомбинационный шум. В области пространственного заряда p-n перехода затвора, из-за дырок и хаотической генерации электронов, обусловленных флуктуациями зарядных состояний генерационно-рекомбинационых центров Шокли-Рида-Холла, наблюдаются шумы фликкер-эффекта, имеющие частное распределение
. Генерационно-рекомбинационный шум p-n переходов настоящих транзисторов в большинстве случаев превышает предвещаемый теорией, излагаемой в [16], поскольку у настоящих ПТ существует пара разных типов генерационных центров Шокли-Рида-Холла.
Генерационные центры Шокли-Рида-Холла распределены по всему количеству полупроводника. Исходя из этого флуктуации зарядов этих центров в канале кроме этого приведут к появлению шумов.
Но, уровень генерационно-рекомбинационного шума в канале значительно ниже, чем в p-n-переходе, исходя из этого вкладом первого в большинстве случаев пренебрегают.
Источником низкочастотного шума в ПТ являются и процессы генерации-рекомбинации на поверхности полупроводника: случайные захваты электронов ловушками, находящимися на поверхности. Физическая обстоятельство происхождения шумов на поверхности подобна причине генерационных шумов Шокли-Рида-Холла. Поверхностный шум имеет частотную зависимость вида
и обусловлен действием медленных трансформаций поверхностных состояний. Шум вызывается модуляцией скорости поверхностной рекомбинации. Химически адсорбированные молекула отрываются от своих активных центров и диффундируют на протяжении границы раздела Si – SiO2 из-за броуновского перемещения , пока они не захватываются вторыми центрами. Химическими адсорбированными молекулами, создающими медленные трансформации поверхностных состояний, являются, к примеру, молекулы воды, создающие на границе раздела Si – SiO2 рекомбинационные центры. При ПТ с p-n-переходом, модуляция скорости поверхностнойрекомбинации дает незначительный вклад в шумыПТ, поскольку она не приводит кмодуляции ширины количествоного заряда в канале. В противном случае обстоит дело при МДП-транзистора. МДП-транзистор управляется трансформацией состояния поверхности. Процесс управления происходит на границе раздела двух разнородных полупроводника – и материалов изолятора. На границе раздела отмечается высокая концентрация поверхностных состояний. Помимо этого, изолятор имеет некристаллическую структуру и содержит недостатки, талантливые привести к обмену заряда с полупроводником. Исходя из этого уровень шума фликкер-эффекта у МДП-транзисторов значительно выше, чем у ПТ с p-n. переходом. То, что МДП-транзисторы имеют более большой уровень шума типа
, как продемонстрировано в [17], обусловлено наличием у них инверсионного слоя, т.е. связано с принципом их управления.
Дополнительными источниками шумов вида
смогут являться паразитные МДП-структуры, образующиеся между областью затвора истока – и контактными площадками стока, над которыми они находятся. Влияние шумов паразитных МДП-структур на неспециализированный уровень собственных шумов ПТ в большинстве случаев мало. Оно более заметно у транзисторов со сложной структурой. Так как шумы паразитных МДП-структур не модулируют ширину канала, то ими в большинстве случаев при расчетах пренебрегают.
Одной из обстоятельств дополнительного повышения шумов фликкер-эффекта есть связь подвижности между поля и носителей.
Шумы вида
не поддаются точному расчету. На практике их учитывают, вводя в выражение для теплового шума член, пропорциональный
:
, (4.48)
где fФ – граничная частота фликкер-эффекта. В работе [3] значение коэффициента a принято равным 1. При расчетах НЧ усилителей на ПТ в большинстве случаев учитывают дробовый шум токов затвора:
. (4.49)
Для ПТ с p-n переходом:
. (4.50)
Учитывая, что составляющие воображают компоненты шумового тока, некоррелированные между собой, неспециализированный среднеквадратичный шумовой ток равен:
. (4.51)
В частности, при UЗИ = 0, шумовой ток равен:
. (4.52)
Продифференцировав (4.50) по UЗИ, отыщем дифференциальное входное сопротивление ПТ:
. (4.53)
Подставив значение IЗО из (4.53) в (4.52), возьмём уравнение для расчета среднеквадратичного шумового тока затвора ПТ при UЗИ = 0, совпадающее с формулой Найквиста:
. (4.54)
На высоких частотах у ПТ появляются шумы, обусловленные индуцированным током затвора. Обстоятельством индуцированного тока затвора являются тепловые флуктуации в канале, каковые через емкость затвор – канал попадают во входную цепь.
Как продемонстрировано в [6] индуцированный ток затвора ПТ с p-n переходом определяется выражением:
, (4.55)
где коэффициент А2 = 0,3 ? 0,4 – есть функцией потенциалов на электродах ПТ.
Индуцированный ток затвора МДП-транзисторов, равен
, (4.56)
где С – емкость затвор – канал.
Выражения (4.55) и (4.56) совпадают при условии:
. (4.57)
На рисунке 4.5 изображена эквивалентная схема, отражающая рассмотренные выше источники собственных шумов ПТ. В эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 4.5, учтены источники тепловых шумов, обусловленные наличием у настоящего ПТ стока и немодулированных сопротивлений истока rИ и rC, и омическое сопротивление контакта затвора. Помимо этого, учтено, что реальный ПТ кроме напряжения UЗИ затвор-исток, руководит дополнительным напряжением UИ, образующимся при протекании тока стока через немодулированное сопротивление истока.
Шумоизоляция автомобиля. Источники шума
