الضوضاء في أجهزة أشباه الموصلات

تختلف الآلية الفيزيائية للتوصيل في أشباه الموصلات تمامًا عن تلك التي تميز المعادن. لذلك نتوقع ظهور أنواع جديدة من الضوضاء. تستكشف هذه المقالة المصادر المختلفة للضوضاء في أجهزة أشباه الموصلات.

الضوضاء الحرارية

في درس سابق درسنا سلوك الصمام الثنائي كدالة لدرجة الحرارة باستخدام خاصية الجهد الحالي:

نظرًا لأن درجة حرارة العمل ليست ثابتة تمامًا ولكنها تتقلب حول متوسط ​​القيمة ، فإننا نتوقع تقلبات عشوائية للتيار. يمكن محاكاة هذا باستخدام الرياضيات، لأن هذه البيئة تفسح المجال جيدًا لتنفيذ متغير عشوائي غاوسي. في التين. 1 نقوم بالإبلاغ عن اتجاه درجة حرارة العمل بمتوسط ​​قيمة T₀ = 300 ك.

إذا طبقنا إشارة جيبية على الصمام الثنائي ، فإن قياس التيار يعيد اتجاه الشكل. 2 ـ حيث نرى وجود ضوضاء.

الضوضاء النار

ضوضاء الطلقات هي نتيجة تكميم الشحنة. من الناحية المثالية ، يمكن نمذجة الأخير من خلال التوزيع المستمر (أي سائل) ، بشرط أن يحتوي على تركيز عالٍ للغاية من حاملات الشحنة ، كما يحدث على سبيل المثال في المعادن. من ناحية أخرى ، في أشباه الموصلات ، يكون التركيز أقل بحيث لا يمكن إهمال جانب الجسيم. من الاستعارة المفيدة تساقط المطر على السطح. في حالة الشدة المنخفضة ، يكون عدد القطرات التي تصطدم بالسقف في الوحدة الزمنية منخفضًا نسبيًا ومتقلبًا. وينتج عن هذا ضغط يتقلب بدوره حول قيمة متوسطة.

في أشباه الموصلات ، يتم تحديد تكسر الروابط التساهمية بواسطة الطاقة الحرارية. لكل رابطة مكسورة ، يتم إنتاج زوج من الثقوب الإلكترونية ، وينتقل الإلكترون إلى نطاق التوصيل. هذه هي عملية توليد حامل الشحن. العملية العكسية إعادة التركيب الذي بواسطته يتم التقاط الإلكترون الحر بواسطة رابطة تساهمية غير مشبعة.

إعادة التركيب هي عملية عشوائية وضوضاء اللقطة هي نتيجة لها. في الواقع ، يتسبب هذا في تقلبات عشوائية في تركيز حاملات الشحنة وبالتالي في شدة التيار. يمكن وصف هذه التقلبات من خلال أ حياة من ناقلات الشحنة التي نشير إليها بواسطة τ (للبساطة ، نعتبر عمرًا واحدًا للإلكترونات والثقوب). على وجه التحديد ، ينطفئ التذبذب الفردي أضعافًا مضاعفة مع ثابت الوقت τ ، ومن السهل إقناع نفسه بأنه مع انخفاض ، فإن التقلبات غير مرتبطة بالوقت ، وبالتالي محاكاة الضوضاء البيضاء (في حالة حد 100 ٪ غير مرتبطة). يمكن التحقق من ذلك بدقة من خلال تحديد وظائف الارتباط التلقائي ذات الصلة: تطبيق المشهور نظرية وينر – خنتشين ينتج طيفًا للطاقة من التقلبات ، والذي يكون مسطحًا حتى تردد قطع يصل إلى⁻¹ كما يظهر في الشكل. 3. يتم جعل هذا الطيف أكثر انبساطًا بشكل كبير من خلال الزيادة المحتملة في إعادة التركيب المراكز، ويمكن أن يتم ذلك من خلال ما يسمى ب الفخاخ، عادة ما تكون مصنوعة من الشوائب.

نختتم بملاحظة أن عملية إعادة التركيب لها تفسير نشط مثير للاهتمام. من أجل البساطة ، نحن نعتبر أشباه الموصلات غير المخدرة (وإلا فإن التعديلات واضحة). بينما يتطلب توليد الأزواج (الإلكترون ، الثقب) قدرًا معينًا من الطاقة (على سبيل المثال حراريًا) ، فإن إعادة التركيب تطلق جزءًا من مدخلات الطاقة ، في شكل حرارة والتي بدورها تفضل كسر المزيد من الروابط التساهمية.

نفق ديود

كما تم فحصه في البرنامج التعليمي السابق ، تتميز طبقة النضوب بحاجز طاقة محتمل مزدوج لكل من حاملات الشحنة. حتى إذا كانت الشحنات الكهربائية المعنية لا تحتوي على طاقة كافية لعبور هذا الحاجز ، فهناك احتمال غير صفري للعبور الكمي (تأثير النفق ). يتم قياس هذا الاحتمال بدوره بواسطة أ معامل الإرسال T بين 0 و 1 ، ويتناسب مع الأبعاد الهندسية للحاجز (الارتفاع والعرض). يعتمد T جسديًا على منشطات التقاطع. اللعب على هذه المعايير ، Esaki [6] جهازًا يستغل عملية الأنفاق التي توقعتها ميكانيكا الكم.

من وجهة نظر الدائرة ، نتوقع موصلية عالية في التحيز العكسي. بتعبير أدق ، تظهر خاصية الجهد الحالي للديود النفق في الشكل. 4.

في التحيز الأمامي وفي النطاق 0 _ص (حوالي 50 مللي فولت) يزيد التيار بسرعة حتى يصل إلى قيمة الذروة i_ص . يرجع هذا الاتجاه إلى تأثير النفق الذي يميل إلى التخميد للجهود العالية بسبب آلية مرتبطة بمبدأ استبعاد باولي. لـ v> v_ص ينخفض ​​التيار بسرعة حتى يصبح الجهد v_الخامس (حوالي 60 ميغا فولت). لـ v> v_الخامس التوصيل النموذجي لـ ص يسود مفترق الطرق وبهذه الطريقة يكون الاتجاه النهائي لخاصية الصمام الثنائي النفقي مبررًا. لذلك نرى ذلك في النطاق v_{ص الخامس} الصمام الثنائي النفق لديه مقاومة سلبية.

في التين. 5 نقوم بالإبلاغ عن رمز الصمام الثنائي النفق ، بينما في الشكل. 6 ، يتم رسم الدائرة المكافئة.

القيم النموذجية للأحجام المختلفة هي:

نختتم بملاحظة أن الصمام الثنائي النفق يستخدم لعمل محولات فائقة السرعة ، نظرًا لأن عملية الأنفاق تكاد تكون فورية في مقياس وقت الدائرة. كما أن لديها تيار ضوضاء منخفض.

مراجع

• ولفرام س. مقدمة أولية للغة ولفرام.
• ريدل أ. ، صموئيل ديك. الهندسة الإلكترونية التطبيقية مع Mathematica. شركة أديسون ويلسي للنشر.
• ميلمان جيه ، جرابل أ. الإلكترونيات الدقيقة.
• شوكلي دبليو ، هلهجرصانس والثقوب في أشباه الموصلات. فان نوستراند ، برينستون. 1950.u`
• المسيح أ. ميكانيكا الكم.
• Esaki L. ، ظاهرة جديدة في شركة Narrow Ge ص Juntions ، فيز. القس. ، المجلد. 109 ، ص. 603 ، 1958