Шуми напівпровідникових приладів

 

У всіх напівпровідникових приладів за рахунок фізичних процесів, які відбуваються у напівпровідникові при відсутності вхідного сигналу на виході, завжди існує вихідна напруга, яка створюється фізичними процесами та різними завадами в навколишньому середовищі. Основними шумами, які створюються за рахунок фізичних процесів, являються:

тепловий; дробовий; збитковий.

Тепловий шум створюється за рахунок теплових процесів, які відбуваються в напівпровідникові під дією зовнішньої та внутрішньої температури. Тепловий шум залежить від діапазону частот, в якому працює напівпровідниковий прилад. Потужність теплового шуму визначається із діапазону частот і теплових процесів в напівпровідникових приладах.

Середнє квадратичне значення дробового шуму, який створюється в основному за рахунок інжекції основних носіїв заряду із емітера в базу, залежить від теплової енергії струму та діапазону частот

Збитковий шум обумовлений генерацією і рекомбінацією носіїв в базі і на поверхні напівпровідника. Цей шум при зростанні частоти, на якій працює транзистор, зменшується. Основним параметром, по якому оцінюють роботу транзистора, є коефіцієнт шуму, який можна визначити, як відношення шумів на виході до шумів на вході, або в дБ. При визначенні шумових властивостей використовується еквівалентна шумова схема транзистора як чотириполюсника рис.48.

 

 

F – Коефіцієнт шуму.

 

Рисунок 48 Еквівалентна шумова схема транзистора як чотириполюсника

 

Вона використовується при моделюванні транзистора як еквівалентного чотириполюсника при розрахунку шумів де,

r_Е, r_Б, r_К – параметри фізичної моделі ідеального не шумового транзистора.

Генератор U_де – еквівалентний генератор шумів, які створюються за рахунок інжекції носіїв заряду із емітера в базу.

В базовій області найбільше значення має тепловий шум, а в вихідному колі всі три шуми, промодельовані еквівалентними генераторами дробового, збиткового і теплового шумів. І відповідно до методу суперпозиції всі три генератори ввімкнені послідовно, вони будуть створювати напругу шумів в навантаженні транзистора. Як правило, в довідниках задаються еквівалентні напруги шумів, або еквівалентні опори шумів.

 

Позначення напівпровідникових транзисторів

Позначення складається із 6-7 позицій.

1 – буква або цифра матеріал із якого виготовлений прилад

Г – 1 германій

К – 2 кремній

А – 3 арсенід галію

2 – буква тип приладу

Т – біполярні

П – польові

3 – число, присвоєння серії в залежності від призначення

4,5,6 – порядковий номер розробки

6(7) – буква – різновид типа із даної групи

Приклад: ГТ108А, 2Т144А.

 

 

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

 

Польовим транзистором називають електричний перетворювальний прилад, в якому струм через канал керується електричним полем, яке створюється напругою, прикладеною між витоком і затвором.

 

Структура і принцип роботи польового транзистора з керуючим p-n- переходом

 

Рисунок 49 Структура польового транзистора

 

Польовий транзистор з керуючим p-n-переходом виготовляють із монокристалу напівпровідника з p- або n-провідністю. На двох сторонах об’єму кристала створюється інверсний шар напівпровідника, створюючи два переходи. Та частина інверсного шару, що розташована між двома p-n-переходами, називається каналом. До торців каналу приєднуються два виводи з не випрямленими переходами - контактами. Один електрод від якого починають рухатися носії заряду називають витоком, а другий до якого рухаються заряди – стоком. Два інверсних шари, створені відносно каналу, об’єднуються між собою і мають один вивід, який називають затвором.

Витік і стік абсолютно рівноправні, але вивід, від якого буде направлений рух носіїв заряду, називається витоком, а до якого направлений рух – стоком.

 

 

Принцип роботи

 

При відсутності напруги на електродах ширина каналу залишається постійною по всій довжині. При підключенні напруги між витоком і стоком при каналі n- типу: “–”джерела на витік, “+” на стік, по каналу будуть рухатись основні носії заряду і при збільшенні напруги струм буде збільшуватися, але залежність струму від напруги буде нелінійна. Це пов’язано з двома факторами:

1. При збільшенні напруги збільшується напруженість в каналі і зменшується рухливість носіїв.

2. По довжині каналу змінюється опір, а відповідно збільшується падіння напруги вздовж каналу. Це падіння збільшує ширину переходу і зменшує активну ширину каналу, і при деякій напрузі канал буде перекритий розширеними p-n-переходами біля стоку. В ідеальному випадку збільшення напруги між витоком і стоком не приведе до збільшення струму через канал.

Напруга, при якій відбудеться перекриття каналу, називається напругою насичення, а струм, який відповідає цій напрузі, називають струмом насичення (початковим струмом робочої ділянки). Робочою ділянкою вольт-амперної характеристики являється полога ділянка вольт-амперної характеристики.

При підключенні напруги між витоком і затвором так, щоб p-n-переходи були ввімкнені в зворотному напрямі, початкова ширина каналу зменшиться, зросте опір каналу. Напруги між витоком і стоком, затвором і витоком будуть діяти на ширину каналу узгоджено. Перекриття каналу відбудеться при менший напрузі між витоком і стоком. Цей режим називають режимом збіднення. Якщо напругу між витоком і затвором прикласти таку, щоб p-n-переходи були ввімкнені в прямому напрямі, початкова ширина каналу збільшиться, такий режим називають збагаченим. Отже польовий транзистор з керуючим p-n-переходом відрізняється тим від біполярного транзистора, що керування струмом відбувається поперечним електричним полем, і вхідний струм визначається струмом зворотно ввімкненого p-n-переходу, тому польові транзистори мають дуже великий вхідний опір (10⁶–10⁹ Ом). А в біполярному транзисторі керування відбувається струмом, а не напругою.

В зв’язку з тим, що керування струмом відбувається поперечним полем створеним вхідною напругою, польовий транзистор як еквівалентний чотириполюсник краще описати, коли незалежними є джерела напруги, а струми залежними.

 

Вольт-амперні характеристики польового транзистора

 

Як чотириполюсник польовий транзистор можна описати наступною системою рівнянь

 

 

 

 

Рисунок 50 Вольт-амперні характеристики польового транзистора

 

В зв’язку з тим, що вхідний струм практично рівний нулю, то вхідні вольт-амперні характеристики практичного значення не мають, а найбільше значення мають вихідні вольт-амперні характеристики. Це залежність струму стоку від напруги стік-витік при постійній напрузі на затворі. При U_затв=0 вольт-амперні характеристики починається з початку координат і крута частина вольт-амперних характеристик до напруги насичення U_нас має сублінійний характер, а при досягненні струму насичення вольт-амперні характеристики переходить в пологу ділянку, і нахил вольт-амперних характеристик визначається опором каналу. При збільшенні напруги витік-стік ширина каналу в районі стоку практично залишається постійною, а збільшується довжина перекритої ділянки каналу. Вольт-амперна характеристика при U_затв=0 є межею між збідненим і збагаченим режимом роботи. На практиці основним для даного типу транзисторів є збіднений режим. При зміні напруги між витоком і стоком та зміні напруги між витоком і затвором можна зняти сімейство вольт-амперних характеристик польового транзистора. При цьому для перекриття каналу завжди виконується умова

,

і при U_ЗВ = U_нас струм через канал буде відсутній.