налов, где шум не столь важен. Кроме того, очень сложное подробное исследование физики работы ПЛПД требует компьютерного моделирования )[15, 36] для анализа большого разнообразия формы сигналов диода и режимов, соответствующих включению диода в различные схемы. Пока физические механизмы в плазменном диоде неясны, создается впечатление, что подробную теорию шумовых характеристик усилителей на этих диодах получить невозможно.

10.5.3. Усилители на ИПД

Отсутствие лавинного пробоя в области пространственного заряда ИПД означает, что этот диод обладает меньшим шумом, чем ЛПД или ПЛПД. Колеман и Цзе [И] сообщали о достижении коэффициента шума 15±1 дБ для ИПД металл - полупроводник- металл, а Бьёркманн и Снэп [5] при измерениях достигли значений коэффициента шума 10 и 11 дБ для р+-п-р"""- и р+-п-V-р+- структур соответственно

В ИПД имеются два источника шума. Один источник - это шум, связанный с носителями, инжектированными через переход в область пространственного заряда; это - дробовой шум, сглаженный пространственным зарядом. Другой источник шума, известный как диффузионный шум, обусловлен случайными флуктуациями скорости носителей, проходящих обедненный слой. Диффузионный шум преобладает над дробовым шумом при высоких плотностях тока, когда дробовой шум существенно ослаблен за счет явления сглаживания пространственным зарядом.

Анализ дробового шума в ИПД продолжили и развили Гауе с сотр. [24]. Они вывели выражение для спектральной плотности флуктуации напряжения для случая холостого хода, полагая, что полный дробовой шум инжектируется через один из переходов в область пространственного заряда. Инжектированный дробовой шум сглаживается, так как носители заряда создают коррелированные флуктуации электрического поля, которые модулируют ток смещения на границе. Когда этот модулированный шумовой ток добавляется к инжектированному шумовому току, в результате уменьшается спектральная плотность шума внешнего контура. Это явное уменьшение шума возникает из-за явления сглаживания пространственным зарядом.

Коэффициент шума F усилителя с большим усилением удобно выразить через избыточный фактор шума М следующим образом:

F = \+M. (10.18)

Гауе с сотр. получили выражение для избыточного фактора шу-

ма М в случае дробового шума, сглаженного пространственным: зарядом, при условии, что пролетный угол mL/ws соответствует максимальному отрицательному сопротивлению

.(10.19>

где /о - плотность тока в диоде; Vs - предельная скорость дрейфа; Е - относительная диэлектрическая проницаемость материала и а - параметр барьерной модуляции, который является отношением плотности тока к электрическому полю на границе-инжектирования (а зависит от уровня примесей). Избыточный

фактор шума, вычисленный по формуле (10.19), может быть существенно меньше единицы в зависимости от значений параметров этого выражения. Действительно, Гауе с сотр. считали, что возможны избыточные факторы шума порядка 10~ и ниже. К сожалению, при анализе с учетом диффузионного шума таких замечательно малых значений для избыточного фактора шума не получается.

Диффузионный шум - это по существу тепловой шум горячих носителей. Он появляется потому, что хотя считается, что носители дрейфуют с предельной скоростью, на самом деле имеется распределение скоростей, среднее значение которых равно предельной скорости. Распределение скоростей, подобно распределению! Максвелла, и соответствует температуре горячих носителей. Общий аналитический метод исследования джонсоновского шума описан в разд. 10.7 в связи с шумом в диодах Ганна.

Штатц с сотр. ;[52] обнаружили, что избыточный фактор шума ИПД при анализе дробового шума, сглаженного пространственным зарядом, и с учетом диффузионного шума может быть больше, чем в отсутствие диффузионного шума. Это иллю-

Рис. 10.13. Вычисленный избыточный фактор шума М в функции плотности тока /о ([52]; © 1972 ШЕЕ).

---дробовой шум; - совместное действие дробового и диффузионного шумов.

стрируется на рис. 10.13, который показывает вычисленный избыточный фактор шума как функцию плотности тока при частоте 10 ГГц для случая пролетного угла, соответствующего максимальному отрицательному сопротивлению. Две кривые на рисунке показывают избыточный фактор шума при наличии одного лишь дробового шума (штриховая линия) и, когда при вычислении учитываются оба шума, - дробовой и диффузионный (сплошная линия). Влияние сглаживания пространственным зарядом на дробовой шум проявляется, например, наличием провала на штриховой кривой при более высоких плотностях тока; но это не имеет большого значения при рассмотрении полного шума, который благодаря диффузионной составляющей может быть на несколько порядков выше.

Несмотря на относительно большой вклад от диффузионного шума при высоких плотностях тока, ИПД - все же малошумя-щий прибор СВЧ. В соответствующих схемах можно достичь избыточного фактора шума около 10 дБ на частотах до 20 ГГц. Было построено несколько численных моделей шума в ИПД [8, 51], причем результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом. Благодаря таким моделям пришли к заключению, что ИПД с переходами металл - полупроводник имеют боль-щие избыточные факторы шума, чем с р-п-переходами. Разница зависит от плотности тока и частоты, но обычно она составляет 3 дБ или меньше.

10.6. Физика генератора

на эффекте переноса электронов

У некоторых полупроводниковых материалов, например у GaAs и 1пР, имеется область отрицательной дифференциальной подвижности в зависимости скорости носителей от поля (рис. 10.2). Образец такого полупроводника в виде короткого бруска с омическими контактами генерирует колебания тока, когда приложенное напряжение превышает некоторый критический уровень [20]. Это явление объясняется переносом электронов из состояния с высокой подвижностью в состояние с малой подвижностью.

Процесс переноса электронов можно понять из диаграммы энергия - импульс для полупроводника. Материалы, способные генерировать колебания Ганна, обладают центральным провалом («долиной») зоны проводимости (минимум которой соответствует краю зоны проводимости, определяющему верхнюю границу запрещенной зоны). Центральный провал окружен симметрично расположенными боковыми провалами, энергетический минимум которых находится выше минимума центрального про-