哈工大器件原理 第八章噪声特性

− IR
区注入n区 区复合或到达电极之前因扩散运动又返回p区的空 ③从p区注入 区，在n区复合或到达电极之前因扩散运动又返回 区的空 区注入 区复合或到达电极之前因扩散运动又返回 穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献 对电流没有贡献， p-n结中载流子扩散和漂移的动态平衡 结中载流子扩散和漂移的动态平衡
第八章 噪声特性
8.1 晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源 8.3 双极型晶体管的噪声 8.4 JFET与MESFET的噪声特性 与 的噪声特性 8.5 MOSFET的噪声特性 的噪声特性
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§8.1 晶体管的噪声和噪声系数
一、信噪比 噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。 噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。 噪声叠加在不同的信号上将产生不同程度的影响 为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比 为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比 信号， 信号，噪声
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§8.3 双极型晶体管的噪声
三、晶体管的噪声频谱特性 普遍规律： 普遍规律： 在噪声频谱特性曲线的 低频和高频区， 低频和高频区，噪声系数都 有明显变化，在中频区， 有明显变化，在中频区，噪 声系数最小， 声系数最小，且基本不随频 率变化。 率变化。 定义： 定义： fL：低频区噪声转角频率。 低频区噪声转角频率。 fH：高频区噪声转角频率。 高频区噪声转角频率。 低频区主要由1/f噪声构成。 低频区主要由 噪声构成。 噪声构成 中频区称为白噪声区 高频区噪声系数再次上升是由于功率 增益下降所致
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f L ≈ 500 ~ 1200Hz fH = ( rb re G 1+ + + Rg 2 Rg hFE G ( Rg + rb + re ) 2 2 Rg re ) ⋅ fα
1 2
其中， 其中， G =
Rg为信号源内阻， 为信号源内阻， fα 为共基极截止频率
改善噪声特性： 改善噪声特性： 1、降低白噪声区 、 2、提高高频噪声转角频率 、 rb、fα、hFE
仅考虑空穴的运动： 仅考虑空穴的运动： ①从发射极注入到基区的空穴 ②基区中产生并被发射极收集的空穴 ③发射区注入到基区，未被收集或复合，又返回发射区的空穴 发射区注入到基区，未被收集或复合， ④在基区产生并被集电极收集的空穴
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声 晶体管散粒噪声
2 i sh = 2qI∆f
2 ush = 2kTr0 ∆f
r0（无噪声 无噪声) ~ ush = 2kTr0 ∆f
r0（无噪声 无噪声)
i sh = 2qI∆f
其功率谱密度与频率 无关，也属白噪声。 无关，也属白噪声。
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 复合噪声(1/f 噪声 噪声) 三、产生-复合噪声 产生 复合噪声 (Generation-recombination noise)——半导体器件特有的噪声 半导体器件特有的噪声 由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称 噪声 噪声。 由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称1/f噪声。 出现在106Hz的频率范围，普通硅平面管中，在103Hz以下明显 的频率范围， 出现在 的频率范围 普通硅平面管中， 以下明显
*噪声系数与工作条件密切相关
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§8.4 JFET与MESFET的噪声特性 与 的噪声特性
N F = 10 lg F
晶体管自身噪声相当大。 晶体管自身噪声相当大。例3AG47, NF<6db, F=4 输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。 来自于晶体管本身。 输出噪声功率中 来自于晶体管本身
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 一、热噪声(Thermal noise) 热噪声 载流子的无规则热运动叠加在规则的运动上形成热噪声 也称约翰逊噪声(Johnson noise) 也称约翰逊噪声 任何电子元件均有热噪声 热噪声与温度有关——温度升高，热运动加剧 温度升高， 热噪声与温度有关
其中， 其中，ith—短路噪声电流 短路噪声电流 uth—开路噪声电压 开路噪声电压 单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度 单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度 •噪声电压的功率谱密度 噪声电压的功率谱密度
2 uth SV = = 4kTR ∆f 2 ith Si = = 4kTG ∆f
2 inf = KI γ ⋅ f −α ⋅ ∆f
产生原因可能与晶体结构的不完整性和表面稳定性有关。 产生原因可能与晶体结构的不完整性和表面稳定性有关。 晶格缺陷、位错、高浓度 、 扩散造成晶体压缩应变等 晶格缺陷、位错、高浓度P、B扩散造成晶体压缩应变等 表面能级、界面热应力诱发缺陷、 表面能级、界面热应力诱发缺陷、界面处带电粒子移动以及表面 反型层的产生或变化。 反型层的产生或变化。 产生-复合机构引起的产生 复合过程 产生 复合机构引起的产生-复合过程 复合机构引起的产生
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P 输入端信噪比 PSi PNi F＝ ＝ = No 输出端信噪比 PSo PNo K p PNi
噪声系数可看作： 噪声系数可看作： 单位功率增益下，晶体管噪声功率的放大系数。 单位功率增益下，晶体管噪声功率的放大系数。即晶体管无 功率放大作用时，噪声功率增大的倍数， 功率放大作用时，噪声功率增大的倍数， 总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。 总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。 噪声系数越接近于1， 噪声系数越接近于 ，晶体管噪声水平越低 噪声系数也可用分贝表示
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 一、热噪声(Thermal noise) 热噪声 尼奎斯公式 (Nyquist)
2 ith = 4kTG∆f = S i ∆f 2 uth = 4kTR∆f = SV ∆f
信号功率 S P 信（号）噪（声）比＝ P 噪声功率 N
二、噪声系数 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、输出端 信噪比不同。 信噪比不同。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大 小。
P 输入端信噪比 PSi PNi F＝ ＝ = No 输出端信噪比 PSo PNo K p PNi
低频发射极噪声电流均方值： 低频发射极噪声电流均方值：
2 ine = (4kTge 0 − 2qI E )∆f
q ge 0 = ( I E + I BE ) kT
集电极噪声电流均方值： 集电极噪声电流均方值：
为低频发射结电导
2 inc = 2q[α DC ( I E + I BE ) + I BC ]∆f = 2qI C ∆f
载流子运动本身是电流， 热噪声与电阻有关——载流子运动本身是电流，电阻大，电压高 载流子运动本身是电流 电阻大，
载流子热运动为随机过程，平均值为零，用统计值 载流子热运动为随机过程，平均值为零，用统计值——均方值表示 均方值表示 频谱密度与频率无关的噪声称为白噪声， 频谱密度与频率无关的噪声称为白噪声，热噪声是白噪声
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二极管低频电导： 二极管低频电导：
dI qI R qV g0 = e = dV kT
高频下的本征导纳： 高频下的本征导纳：
kT
q (I + I R ) = kT
qI F 1 1 12 1 1 12 2 2 12 2 2 12 Y= {[ (1 + ω τ p ) + ] + j[ (1 + ω τ p ) − ] } kT 2 2 2 2 ——随频率升高而增大 = G + jX 随频率升高而增大
4kT(G − g0 )∆f
于是， 结二极管总的噪声电流均方值为 结二极管总的噪声电流均方值 于是，p-n结二极管总的噪声电流均方值为
in2 = 2q( I + 2 I R )∆f + 4kT (G − g0 )∆f = (4kTG − 2qI )∆f
e
qVD kT 0 nn = 0= 0 pn np
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 1. p-n 结二极管的散粒噪声 假设全部电流是由空穴携带的 分为三个分量： 分为三个分量： ①由p区注入到 区，并被电极端 区注入到n区 区注入到 收集的空穴
IF = IR (eqV kT −1)
IReqV kT
区产生， ②在n区产生，被自建场漂移到 区 区产生 被自建场漂移到p区 并被电极端收集的空穴
•噪声电流的功率谱密度 噪声电流的功率谱密度
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热噪声等效电路
用一个 4kTR ∆ f 的热噪声电压源和一个 无噪声电阻串联而成
R（无噪声) （无噪声 ~
尼奎斯公式条件： 尼奎斯公式条件： 1、电子与晶格处于热平衡状态 、 2、电子的能量分布服从波尔兹曼分布 、
4kTR∆f
电场较强时，高能态电子数增多， 电场较强时，高能态电子数增多，可近似 1、用电子温度取代平衡温度 、 电子温度取代平衡温度 2、用随电场强度变化的微分迁移率代替常数迁移率 、用随电场强度变化的微分迁移率代替常数迁移率 微分迁移率 对尼奎斯公式修正， 对尼奎斯公式修正，得增强约翰逊噪声 多能谷结构材料中的谷间散射噪声 多能谷结构材料中的谷间散射噪声
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§8.3 双极型晶体管的噪声
一、噪声源 1.热噪声 热噪声 三个区的体电阻、三个电极接触电阻都产生热噪声，但以rb影响 三个区的体电阻、三个电极接触电阻都产生热噪声，但以 最大，因为处于输入回路，且数值最大。 最大，因为处于输入回路，且数值最大。 2.散粒噪声 散粒噪声 产生-复合作用对多子影响不大 双极型晶体管以少子传输电流， 复合作用对多子影响不大。 产生 复合作用对多子影响不大。双极型晶体管以少子传输电流， 其散粒噪声通过发射效率和基区输运系数的不规则起伏反映到输出端 集电极反向饱和电流也产生散粒噪声 3. 1/f噪声 噪声 表面缺陷状态、表面氧化硅膜中 表面缺陷状态、表面氧化硅膜中Na+及发射结附近缺陷都会产生 1/f噪声。此外，与重金属杂质掺入发射区有关的淬发噪声 噪声。 噪声 此外，与重金属杂质掺入发射区有关的淬发噪声 4. 其它噪声源 引线接触噪声： 引线接触噪声：引线接触不良造成接触电阻不稳定 雪崩噪声：反偏太高， 雪崩噪声：反偏太高，集电结的雪崩倍增引起
① IRe
qV kT
受外加电压调制，对电导的贡献是g0 受外加电压调制，对电导的贡献是 与外加电压无关，是自建场漂移作用， 与外加电压无关，是自建场漂移作用，对电导没有贡献
② − IR
两部分独立起伏产生散粒噪声
2q(I + IR )∆f + 2qIR∆f = 2q(I + 2IR )∆f
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引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在n区无规则停留时 ③ 引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在 区无规则停留时 因此受外加高频电压调制， 间，因此受外加高频电压调制，对高频本征电导有贡献 因扩散过程是热运动过程， 因扩散过程是热运动过程，故产生热噪声
q g0 = (I + I R ) kT
p0 p
I = IR (eqV kT −1)
0 n p
IR = A(
qDp p Lp
0 n
+
qD n Ln
)
= A(
0 qDp pn
Lp
+
qDnn0 p Ln
)(eqV kT −1)
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声 晶体管散粒噪声
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 二、散粒噪声(shot noise) 散粒噪声 1918年肖特基发现于电子管中，起源于电子管阴极发射电子 年肖特基发现于电子管中， 年肖特基发现于电子管中 数目的无规则起伏。 数目的无规则起伏。 在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨 在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、 落使越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声 结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。 落使越过 结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。