70 Глава S

3. Н. Т. Friiss (1944), Noise figure of radio receivers, Proc. IRE. 32, 419- 423.

4. H. A. Haus, R. B. Adier (1957), An extension of the noise figure definition, Proc. IRE. 45, 690-691.

5. H. A. Haus, et al. (1960a), Representation of noise in linear twoports, Proc. IRE. 48, 69-74.

6. H. A. Haus, et al. (1960b), IRE standards on methods of measuring noise in linear twoports, 1959, Proc. IRE. 48, 60-68.

7. H. C. Montgomery (1952), Transistor noise in circuit applications, Proc. IRE. 40, 1461-1471.

8. L. C. Peterson (1947), Space-charge and transit-time effects on signal and noise in microwave tetrodes, Proc. IRE. 35, 1264-1272.

9. L. C. Peterson (1948), Equivalent circuit analysis of active four terminal networks. Bell Syst. Tech. J.. 27, 593-622.

10. F. N. H. Robinson (1969), Noise in common source amplifiers at moderately high frequencies. Elect. Eng.. 41, 77-79.

11. H. Rothe, W. Daike (1956), Theory of noisy fourpoles, Proc. IRE. 44, 811- 818.

12. R. M. Ryder, R. J. Kircher (1949), Some circuit aspects of the transistor. Bell Syst. Tech. J.. 28, 367-400.

13. L. Thevenin (1883), Sur ил nouveau theoreme delectricite dynamique, . Comptes Rend. Acad. ScL. Paris, 97, 159-161.

Собственный шум

в диодах на р - я-переходах

и биполярных транзисторах

4.1. Введение

Опубликование работы Шокли [20] возвестило о новой эре в истории физики приборов. Транзистор появился на свет, и как его достоинства, так и связанные с ним проблемы быстро стали явью.

Одна из неприятных черт первых транзисторов заключалась в высоком уровне шума. Этот факт впервые отметили Райдер и Кирхер [15] в заметке, которая была помещена в том же самом выпуске Bell System Technical Journal, что и основополагающая работа Шокли. Они провели измерения шумовых параметров точечно-контактного транзистора типа А в диапазоне 0,02 - 20 кГц. Были приведены кривые, показывающие, что зависимость спектральной плотности шума от частоты имеет вид l/f*, где а=1,1. Впоследствии подобную зависимость от частоты наблюдали Уоллес и Пиетонпол [30] и Монтгомери [И] на некоторой выборке 1752 германиевых п-р-п-транзисторов: Монтгомери нашел, что в диапазоне частот 0,02-50 кГц спектральная плотность шумов на эмиттерном или коллекторном выводе при разных значениях напряжения смещения подчиняется закону 1 ", где а - параметр немного больше единицы, обычно он составляет 1,2. Кроме того, он показал, что уровень шума в п-р-п-транзисторах был существенно ниже, чем у точечно-контактного транзистора, с которым работали Райдер и Кирхер, и привел данные для коэффициентов шума на частоте 1 кГц, составляющих 18-25 дБ, в зависимости от смещения по сравнению с 50-70 дБ для точечно-контактных транзисторов.

Энергетические шумовые спектры, которые имеют частотную зависимость типа 1 " с коэффициентом а, близким к единице, являются характерными для так называемого l/f-шума. Когда шумы такого вида были впервые обнаружены у транзисторов, физический механизм, приводящий к подобным флуктуациям, не был понятен [12], и даже теперь, когда известно, что шум 1 , наблюдается у большого числа приборов и систем, все еще нет удовлетворительного объяснения этому явлению (см. гл. 6).

" См. сноску на с. 63, гл. 3.

По мере совершенствования технологии производства транзисторов 1 -компонента шума была снижена до такси степени, что незадолго до первых измерений собственных шумов в транзисторе отмечалось следующее: Монтгомери и Кларк [13] нашли, что для частот выше 1 кГц в зависимости от смещения шзмовая компонента 1 для п-п-р-сплавных транзисторов является несущественной и что измеренный коэффициент шума для таких приборов находится в согласии с вычисленным значением на основе теплового шума в объеме прибора и дробового шума в переходах. Эти основополагающие физические механизмы давали возможность получить фундаментальный предел шумовым характеристикам, которые можно было ожидать для транзисторов любого типа. В приборе, исследованном Монтгомери и Кларком, этот предел соответствовал коэффициенту шума примерно 3 дБ на частотах 1 кГц и выше.

Первое теоретическое рассмотрение дробового шума в диодах и транзисторах с р-п-переходамн было предложено ван-дер-Зилом [22, 23] на основе аналогии с передающей RC-лини-€й с распределенными параметрами. Он рассмотрел «идеальный» диод, т. е. такой, у которого эффект генерации-рекомбинации носителей в обедненном слое и поверхностный эффект незначительны, и показал, что шум можно представить эквивалентным генератором тока, включенным параллельно переходу, у которого спектральная плотность шума зависит от вы-]!чОдного тока и проводимости перехода. Для больших прямых пли обратных значений напряжения смещения и для низких частот выражение, полученное ван-дер-Зилом для спектральной плотности такого подключенного параллельно шумового генератора тока, сводится к обычному виду для дробового шума 2д1о, где Id - установивглийся постоянный ток через диод, а q - заряд электрона; в случае нулевого смещения (/£.=0) оно переходит в формулу Найквиста для теплового шума в пассивном элементе с проводимостью, равной проводимости р-п-перехода.

Сразу вслед за работами ван-дер-Зила был выполнен ряд теоретических и экспериментальных исследований шумов в диодах и транзисторах с р-п-переходом: ван-дер-Зил и Бекинг [27] предложили теорию, основанную на так называемом «корпускулярном подходе»; результаты измерений дробового шума в транзисторах, которые показывали хорошее согласие с теорией ван-дер-Зила, были опубликованы Хансоном и ван-дер-Зилом [9]; Гуггенбухл и Стратт [7] представили теоретические и экспериментальные результаты исследований дробовых шумов в полупроводниковых диодах и транзисторах с р-п-перехода-ми; наконец Шнайдер и Стратт [18] показали, что в кремниевых диодах и транзисторах присутствует шумовая компонента.