Rauschen: Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage

274 Pages·1990·19.405 MB·German

by  Dr. techn. Rudolf Müller (auth.)

Halbleiter- lektronik
Eine aktuelle Buchreihe
fur Studierende und Ingenieure
Halbleiter-Bauelemente beherrschen heute einen groBen Teil der Elektrotechnik.
Dies auBert sich einerseits in der groBen Vielfalt neuartiger Bauelemente und ande
rerseits in mittlerenjahrlichenZuwachsraten der Herstellungsstilckzahlen von ca.20 %
im Laufe der letzten 10 Jahre. Ihre besonderen physikalischen und funktionellen
Eigenschaften haben komplexe elektronische Systeme z. B. in der Datenverarbeitung
und der Nachrichtentechnik ermoglicht. Dieser Fortschritt konnte nur durch das Zu
sammenwirken physikalischer Grundlagenforschung und elektrotechnischer Ent
wicklung erreicht werden.
Urn mit dieser Vielfalt erfolgreich arbeiten zu konnen und auch zukilnftigen
Anforderungen gewachsen zu sein, muB nicht nur der Entwicklervon Bauelementen,
sondem auch der Schaltungstechniker das breite Spektrum von physikalischen
Grundlagenkenntnissen bis zu den durch die Anwendung geforderten Funktions
charakteristiken der Bauelemente beherrschen.
Dieser engen Verknilpfung zwischen physikalischer Wirkungsweise und elektro
technischer Zielsetzung soli die Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" Rechnung tragen.
Sie beschreibt die Halbleiter-Bauelemente (Dioden, Transistoren, Thyristoren
usw.) in ihrerphysikalischen Wirkungsweise,in ihrer Herstellung und in ihren elektro
technischen Daten.
Urn der fortschreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden und den
Lesem ein fUr Studium und Berufsarbeit brauchbares Instrument in die Hand geben
zu konnen, wurde diese Buchreihe nach einem "Baukastenprinzip" konzipiert:
Die ersten beiden Bande sind als EinfUhrung gedacht, wobei Band 1 die physika
lischen Grundlagen der Halbleiterdarbietet und die entsprechenden Begriffe definiert
und erklart. Band 2 behandelt die he ute technisch bedeutsamen Halbleiterbau
elemente und integrierten Schaltungen in einfachster Form. Erganzt werden diese
beiden Bande durch die Bande 3 bis 5 und 19, die einerseits eine vertiefte Beschreibung
der Banderstrukturund derTransportphanomene in Halbleitem undandererseits eine
EinfUhrung in die technologischen Grundverfahren zur Herstellung dieser Halbleiter
bieten. Aile diese Bande haben als Grundlage einsemestrige Grund- bzw. Er
ganzungsvorlesungen an Technischen Universitaten.
Fortsetzung und Ubersicht aber die Reihe: 3. Umschlagseite
Halbleiter-Elektronik
Herausgegeben von W Heywang und R. Muller
Band 15
Rudolf Müller
Rauschen
Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 192 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1990
Dr. techn. RUDOLF MÜLLER
Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik
der Technischen Universität München
Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG
Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München
Professor an der Technischen Universität München
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Rauschen/Rudoll Müller.-2., überarb. u. erw. Auflage
(Halbleiter-Elektronik; Bd. 15)
ISBN 978-3-540-51145-8 ISBN 978-3-642-61501-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-61501-6
NE: Heywang, Waller [Hrsg.]; GT
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©Springer-Verlag Berlin Heldeiberg 1979 and 1990
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heldeiberg New York 1990
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Satz: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft
Datenkonvertierung: Brühlsehe Universitätsdruckerei, Gießen
2362/3020-543210 Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur zweiten Auflage
Genau ein Jahrzehnt nach Erscheinen der ersten Auflage, die nun schon iiber
viele Jahre vergriffen ist, wird hiermit die zweite Auflage dieses Buches in
iiberarbeiteter und erweiterter Form vorgelegt. Kapitel 6 iiber das 1/I
Rauschen sowie die Abschnitte 7.3 und 7.4 sind vollig neu. Alle anderen Kapitel
haben eine mehr oder weniger tiefgreifende Bearbeitung erfahren und wurden
auf den derzeitigen Stand der Erkenntnisse iiber Halbleiterrauschen gebracht.
Eine Reihe von Fehlern in der ersten Auflage, auf die mich Herr Kollege
Professor Dr. G. Grau, Universitiit Karlsruhe, freundlicherweise aufmerksam
gemacht hat, habe ich korrigiert. Ich danke ihm bestens fUr seine konstruktiven
Hinweise. Herrn Dipl.-Ing. W. Hornik, Mitarbeiter an meinem Lehrstuhl, bin
ich fUr die sorgfiiltige Kontrolle des Manuskripts verpflichtet.
Miinchen, im November 1989 R. Miiller
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Vorwort zur ersten Auflage
1m hier vorliegenden Band der Reihe "Halbleiter-Elektronik" wird das
Rauschen der Halbleiter-Bauelemente beschrieben und jeweils das zugehorige
Ersatzschaltbild abgeleitet. Damit werden die fUr den praktischen Einsatz
maBgebenden KenngroBen wie Rausch-Zahl, RauschmaB usw. ermittelt.
Es wird versucht, dies mit einem moglichst geringen Aufwand an mathema
tischen Hilfsmitteln zu erreichen. Soweit erforderlich, werden die mathemati
schen Grundlagen am Anfang gebracht.
Wegen der besonderen Bedeutung optoelektronischer Bauelemente wird
der Empfang optischer Signale in einem eigenen Kapitel behandelt. Der
zunehmende Einsatz von Halbleiteroszillatoren, insbesondere in der Mikro
wellentechnik, hat mich veranlaBt, auch dem iiblicherweise in Lehrbiichern
nicht behandelten Thema des Oszillatorrauschens ein eigenes Kapitel zu
widmen.
Das Buch ist gleichermaBen fUr Entwickler von Bauelementen und fUr
Schaltungstechniker gedacht. Vorausgesetzt wird die Kenntnis der Funktion
der jeweiligen Bauelemente, wie sie beispielsweise in Band 2 dieser Reihe
beschrieben wird.
Der Inhalt dieses Bandes entspricht zu einem wesentlichen Teil einer an der
TV Miinchen gemeinsam mit W. Kleen gehaltenen Vorlesung. Ich mochte an
dieser Stelle Herrn Prof. Kleen meinen besonderen Dank fUr diese Zusammen
arbeit aussprechen.
Herrn Jan-Erik Miiller sei fUr seine qualifizierte Mitarbeit, insbesondere fUr
seine Mithilfe bei Kapitel 13, herzlich gedankt.
Miinchen, im April 1979 R. Muller
6
Inhaltsverzeichnis
Physikalische GroBen . 11
Einleitung. . . . . . 17
1 Beschreibung des Rauschens im Zeitbereich 20
1.1 Das Schwankungsquadrat 21
1.2 Korrelation...... 22
1.3 Korrelationsfunktion.. 24
1.4 Autokorrelationsfunktion 26
1.5 Folge identischer, statistisch unabhangiger Impulse 29
1.6 Statistische Ubergange zwischen zwei Zustanden 33
2 Beschreibung des Rauschens im Frequenzbereich . 42
2.1 Spektrale Leistungsdichte . . . . . . . . . . 42
2.2 Zusammenhang zwischen Autokorrelationsfunktion
und spektraler Leistungsdichte . . . . . . . . . 43
2.3 Folge identischer, statistisch unabhangiger Impulse 46
2.4 Kreuzspektrum... 47
2.5 Schmalbandrauschen. 48
3 Thermisches Rauschen . 50
3.1 Phanomenologische Beschreibung . 50
3.2 Berechnung des thermischen Rauschens nach dem Modell
von Drude . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Thermisches Rauschen pas siver Netzwerke. . . . . 55
3.4 Obere Frequenzgrenze des thermischen Rauschens 57
3.5 Giiltigkeit der Beziehungen fUr thermisches Rauschen
in aktiven Bauelementen. 58
3.6 "HeiJ3e" Elektronen . 59
4 Schrotrauschen... 66
4.1 Phanomenologische Beschreibung. 66
4.2 Leistungsspektrum des Schrotrauschens 67
4.3 "Schrotrauschen" stromdurchflossener Widerstande 69
7
5 Generations-Rekombinations-Rauschen . 70
5.1 Statistische Schwankungen von Ladungen 70
5.2 Ladungsschwankungen in Eigenleitungs- und Storstellen-
Halbleitern 71
5.3 Generations-Rekombinations-Rauschen im Quasi-Gleichgewicht 78
5.4 Rauschen stromdurchflossener Widerstande 80
5.5 Generations-Rekombinations-Rauschen bei starker Abweichung
vom thermischen Gleichgewicht 84
6 l/f-Rauschen . 86
6.1 Zusammenhang zwischen der Dauer eines Elementarvorganges
und dem Rauschspektrum . 86
6.2 Energieinhalt von Rauschspektren 87
6.3 Hooge-Modell . 89
6.4 McWhorter-Modell . 90
7 Ubertragung von Rauschen fiber elektrische Netzwerke 93
7.1 Ubertragung liber lineare Netzwerke 94
7.2 Ubertragung liber nichtlineare Netzwerke 97
7.3 Geometrieabhangigkeit des Rauschens homogener Proben 98
7.4 Impedanzfeldmethode . 100
8 Kenngro8en rauschender linearer Vierpole . 104
8.1 Ersatzschaltbilder. 104
8.2 Rauschzahl 106
8.3 Rauschtemperatur 113
8.4 RauschmaB 114
9 Rauschme8technik 116
9.1 MeBprinzip 116
9.2 Messung der Rauschzahl 117
9.3 Rauschquellen . 118
9.4 KorrelationsmeBmethode 120
9.5 Messung der Korrelation 122
9.6 Erforderliche MindestmeBzeit 123
10 Dioden 125
10.1 Diffusionsbegrenzter Diodenstrom 127
10.2 Dioden mit Generation-Rekombination in der Raumladungszone 129
10.3 Schottky-Dioden und Tunneldioden . 132
10.4 Rauschersatzschaltbild 134
10.5 Rauschzahl eines Diodenmischers . 134
10.6 Tunneldiodenverstarker . 137
10.7 Para,metrischer Verstarker . 138
8
10.8 Gunn-Elemente . . . . . 140
10.9 Vergleich von Rauschzahlen 142
11 Bipolare Transistoren . . . . . . . . . . 143
11.1 Schrotrauschen. . . . . . . . . . . . . 143
11.2 Thermisches Rauschen und Ersatzschaltbild 149
11.3 Generations-Rekombinations-Rauschen (1 If-Rauschen) 150
11.4 Rauschtemperatur eines Transistorverstarkers in Emitterschaltung 151
11.5 Rauschzahl eines Transistorverstarkers in Basisschaltung . 155
11.6 Burst-Rauschen ..................... 159
12 Feldeffekttransistoren 161
12.1 Qualitative Beschreibung . 161
12.2 Thermisches Kanalrauschen 162
12.3 Sperrschicht-FET. 173
12.4 MOS-FET. . . . . . . . 177
12.5 MES-FET. . . . . . . . 178
12.6 Rauschzahl eines FET-Verstarkers 180
12.7 Betrieb bei tiefen Temperaturen 182
12.8 Ladungsverschiebungselemente. 183
13 Empfang optischer Signale . . . 190
13.1 pm-Fotodiode . . . . . . . . 191
13.2 Betriebsarten optischer Detektoren 193
13.3 Rauschquellen in Fotodetektoren . 196
13.4 Schrotrauschen der Fotodiode, Quantenrauschen 198
13.5 Thermisches Rauschen, Verstarkerrauschen 199
13.6 Fotodioden mit internem Gewinn. . . . . . . 200
13.7 Rauschersatzschaltbilder der Fotodiode . . . . 202
13.8 Signal-Gerausch-Verhaltnis optischer Detektoren 202
13.9 NEP-Wert und Detektivity D . . . . 205
13.10 Fotoleiter . . . . . . . . . . . . . 209
13.11 Mikrowellengepumpte Fotodetektoren. 214
13.12 Uberlagerungsempfang . . . . . . . 217
13.13 Uberblick tiber die erreichten NEP-Werte 219
14 Oszillatorrauschen.......... 221
14.1 Beschreibungsgro13en fUr Oszillatorrauschen 221
14.2 Messung des Oszillatorrauschens . . . . . 224
14.3 Vier- und Zweipol-Oszillatormodelle 225
14.4 Oszillatoren mit rascher Amplitudenbegrenzung 228
14.5 Oszillatoren mit langsamer Amplitudenregelung 237
14.6 Modulationsrauschen und Selbstgleichrichtung 239
14.7 Impattoszillatoren .. . . . . . . . . . . . 241
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