10.5.3. Усилители на ИПД

Отсутствие лавинного пробоя в области пространственного заряда ИПД означает, что этот диод обладает меньшим шумом, чем ЛПД или Колеман и Цзе [11] сообщали о достижении коэффициента шума для ИПД металл — полупроводник—металл, а Бьёркманн и Снэп [5] при измерениях достигли значений коэффициента шума для 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 флуктуаций 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 плот ность шума внешнего контура. Это явное уменьшение шума возникает из-за явления сглаживания пространственным зарядом.

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

Гаус с сотр. получили выражение для избыточного фактора

шума М в случае дробового шума, сглаженного пространственным зарядом, при условии, что пролетный угол соответствует максимальному отрицательному сопротивлению

где плотность тока в диоде; предельная скорость дрей 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 ниже. К сожалению, при анализе с учетом диффузионного шума таких замечательно малых значений для избыточного фактора шума не получается.

Рис. 10.13. Вычисленный избыточный фактор шума М в функции плотности тока шум; - совместное действие дробового и диффузионного шумов.

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. 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

иллюстрируется на рис. 10.13, который показывает вычисленный избыточный фактор шума как функцию плотности тока при частоте 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 малошумящий прибор СВЧ. В соответствующих схемах можно достичь избыточного фактора шума около на частотах до 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 больщие избыточные факторы шума, чем с -переходами. Разница зависит от плотности тока и частоты, но обычно она составляет или меньше.