微电子器件原理PPT课件(共10章)09噪声特性

1第八章 噪声特性8.1 晶体管的噪声和噪声系数晶体管的噪声和噪声系数8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声8.4 双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性8.5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性8.6 MOSFET的噪声特性的噪声特性2一、信噪比一、信噪比二、噪声系数二、噪声系数8.1 晶体管的噪声和噪声系数晶体管的噪声和噪声系数信号，噪声信号，噪声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为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比信噪比 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、输出端信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。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大小。噪比不同。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大小。3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。即晶体管无单位功率增益下，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。噪声系数越接近于噪声系数越接近于1，晶体管噪声水平越低，晶体管噪声水平越低噪声系数也可用分贝表示噪声系数也可用分贝表示晶体管自身噪声相当大。例晶体管自身噪声相当大。例3AG47,NF6db,F=4 输出噪声功率中输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。来自于晶体管本身。48.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源一、热噪声一、热噪声(Thermal noise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和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也称约翰逊噪声(Johnson noise)任何电子元件均有热噪声任何电子元件均有热噪声热噪声与温度有关热噪声与温度有关温度升高，热运动加剧温度升高，热运动加剧热噪声与电阻有关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，电压高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，热噪声是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58.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源一、热噪声一、热噪声(Thermal noise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和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噪声噪声尼奎斯公式尼奎斯公式(Nyquist)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单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度频谱密度噪声电压的功率谱密度噪声电压的功率谱密度噪声电流的功率谱密度噪声电流的功率谱密度6热噪声等效电路热噪声等效电路尼奎斯公式条件：尼奎斯公式条件：1、电子与晶格处于热平衡状态、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、电子的能量分布服从波尔兹曼分布电场较强时，高能态电子数增多，可近似电场较强时，高能态电子数增多，可近似1、用、用电子温度电子温度取代平衡温度取代平衡温度2、用随电场强度变化的、用随电场强度变化的微分迁移率微分迁移率代替常数迁移率代替常数迁移率 对尼奎斯公式修正，得对尼奎斯公式修正，得增强约翰逊噪声增强约翰逊噪声 多能谷结构材料中的多能谷结构材料中的谷间散射噪声谷间散射噪声78.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源二、散粒噪声二、散粒噪声(shot noise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和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，起源于电子管阴极发射电子数目的无规则起伏。数目的无规则起伏。在半导体中，在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨落使越过落使越过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。其功率谱密度与频率其功率谱密度与频率无关，也属白噪声。无关，也属白噪声。r0（无噪声无噪声)r0（无噪声无噪声)88.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源三、闪烁噪声（三、闪烁噪声（Flicker Noise）(1/f 噪声噪声)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噪声噪声由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称1/f噪声。噪声。出现在出现在106Hz的频率范围，普通硅平面管中，在的频率范围，普通硅平面管中，在103Hz以下明显以下明显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、高浓度晶格缺陷、位错、高浓度P、B扩散造成晶体压缩应变等扩散造成晶体压缩应变等 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。产生产生-复合机构引起的产生复合机构引起的产生-复合过程复合过程98.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源四、产生四、产生-复合噪声（复合噪声（Generation Recombination Noise）已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和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噪声噪声另外还有：另外还有：在一定物理条件下，半导体内的载流子浓度虽有一定的平均值，但由于载流子的产生和复合都是随机过程，所以材料内各处的载流子浓度以及整个器件的载流子数均围绕其平均值有起伏存在。器件中载流子浓度及数量的起伏导致其电导率的起伏，当该半导体器件外加偏压后，必引起器件内电流及电压也存在起伏，此即产生-复合噪声，或写为G-R噪声。108.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源五、配分噪声（五、配分噪声（Partition Noise）已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和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噪声噪声另外还有：另外还有：六、猝发噪声（六、猝发噪声（Burst Noise）源于电子管中电子束在两个以上电极间的分离。双极型晶体管发射极电流在基区中分离为集电极电流和基极电流，有一个由空穴-电子复合作用而定的电流分配系数。复合现象受到热起伏效应的影响使分配系数不恒定，其微小变化引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。表现为双极型晶体管基极电流中的突然阶跃或跳跃，或FET阈值电压的阶跃。这种噪声出现在低频（1 kHz）段，通常从每秒钟发生数次到数分钟才发生一次。能产生比1/f噪声及白噪声大几倍甚至几十倍的噪声电流。由于通过扬声器播放出来时听起来类似爆米花的声音，这种噪声也被称为爆米花噪声和随机电报信号（RTS）。认为是由电荷陷阱或半导体材料中的微小缺陷引起的。其中重金属原子污染是主要原因之一。发现与发射区中掺入Au、Fe、Cu和W等重金属杂质形成金属-半导体结有关。118.2 晶体管的噪声源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噪声噪声另外还有：另外还有：七、雪崩噪声（七、雪崩噪声（Avalanche Noise）雪崩噪声是p-n结中发生雪崩倍增时产生的一种噪声类型，是由于雪崩倍增过程中产生电子、空穴和无规则性所引起的，其性质和散粒噪声类似。此外，晶体管的引线接触不良而造成接触电阻不稳定会引起接触噪声。在正常情况下，接触噪声和雪崩噪声是可以忽略的（利用雪崩倍增效应工作的雪崩管除外）。128.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 p-n结二极管的噪声主要有三种来源，即热噪声（Johnson噪声）、散粒噪声和闪烁噪声（1/f噪声）p-n结的正向交流电阻很小，而反向电流又很小，所以热噪声也很弱（噪声均方根电压仅大约为4 nV）。图8-3 p-n结中的电流热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声零偏时：理想p-n结：138.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 p-n结二极管的噪声主要有三种来源，即热噪声（Johnson噪声）、散粒噪声和闪烁噪声（1/f噪声）图8-3 p-n结中的电流散粒噪声散粒噪声正偏时：反偏时：实际的p-n结中，除上述扩散电流外，还存在着其他种类的电流，如耗尽区的产生-复合电流、隧道电流、光电流、表面漏电流等。141.p-n 结二极管的散粒噪声结二极管的散粒噪声假设全部电流是由空穴携带的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：由由p区注入到区注入到n区，并被电极端区，并被电极端 收集的空穴收集的空穴在在n区产生，被自建场漂移到区产生，被自建场漂移到p区区 并被电极端收集的空穴并被电极端收集的空穴从从p区注入区注入n区，在区，在n区复合或到达电极之前因扩散运动又返回区复合或到达电极之前因扩散运动又返回p区的空区的空 穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献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8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声15二极管低频电导：二极管低频电导：高频下的本征导纳：高频下的本征导纳：随频率升高而增大随频率升高而增大受外加电压调制，对电导的贡献是受外加电压调制，对电导的贡献是g0与外加电压无关，是自建场漂移作用，对电导没有贡献与外加电压无关，是自建场漂移作用，对电导没有贡献两部分独立起伏产生散粒噪声两部分独立起伏产生散粒噪声16于是，于是，p-n结二极管总的结二极管总的噪声电流均方值噪声电流均方值为为引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在n区无规则停留时区无规则停留时间，因此受外加高频电压调制，对高频本征电导有贡献间，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，故产生热噪声因扩散过程是热运动过程，故产生热噪声178.4 双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性一、噪声源一、噪声源1.热噪声热噪声2.散粒噪声散粒噪声3.1/f噪声噪声4.其它噪声源其它噪声源 三个区的体电阻、三个电极接触电阻都产生热噪声，但以三个区的体电阻、三个电极接触电阻都产生热噪声，但以rb影响影响最大，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。产生产生-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。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集电极反向饱和电流也产生散粒噪声 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噪声。此外，与重金属杂质掺入发射区有关的淬发噪声淬发噪声引线接触噪声：引线接触不良造成接触电阻不稳定引线接触噪声：引线接触不良造成接触电阻不稳定雪崩噪声：反偏太高，集电结的雪崩倍增引起雪崩噪声：反偏太高，集电结的雪崩倍增引起18二、散粒噪声与噪声电流二、散粒噪声与噪声电流2.晶体管散粒噪声晶体管散粒噪声 仅考虑空穴的运动：仅考虑空穴的运动：从发射极注入到基区的空穴从发射极注入到基区的空穴基区中产生并被发射极收集的空穴基区中产生并被发射极收集的空穴发射区注入到基区，未被收