半导体噪声的类型

根据谱密度曲线形状的不同，半导体噪声源可分为两类：白噪声和粉红噪声。我们接下来进一步讨论每种类型的噪声。

白噪声

白噪声的谱密度是均匀的，任何给定带宽区间的能量相等。所有有源器件和无源器件中都存在白噪声。之所以称为白噪声是因为光学中恒定幅值的广谱光呈现白色。白噪声在示波器上的显示特点明显，如图6所示。

半导体器件中三种白噪声源为热噪声、散粒噪声和雪崩噪声。

热噪声

热噪声也称为约翰逊噪声，出现在所有无源电阻元件中，是由于阻性介质中电子的随机布朗运动造成的。热噪声随温度和电阻的增大而增大，往往是高精度数据转换器中最大的半导体噪声源。

无论是分立，还是集成无源电阻元件，都会产生热噪声。热噪声随温度和电阻的增大而增大，热噪声水平不受直流电流的影响。电阻即使处于隔离状态，也总是产生噪声。

热噪声密度(ND)定义为：

式中，k为波尔茨曼常数，R为电阻(欧姆)，T为温度(开氏)。

散粒噪声

散粒噪声也称为肖特基噪声，当有源器件中的电荷穿越晶体管和二极管中的势垒时，就会产生散粒噪声。这种噪声产生的原因是流过半导体结的电流不平稳，而是由每个电子以随机时间到达形成的。我们从宏观上观察到的直流电流实际上是许多随机的微观电流脉冲的总和。电流的这种随机波动致使散粒噪声呈现高斯白色频谱密度。散粒噪声随电流的增大而增大。

散粒噪声密度(ND)定义为：

式中，q为电子电荷，I为通过势垒的电流。

雪崩噪声

雪崩噪声发生在反向击穿模式的PN结，例如齐纳二极管。雪崩击穿期间产生的电流由通过反偏结的随机分布噪声尖峰组成。与散粒噪声类似，雪崩噪声需要电流通过，但通常更强。

粉红噪声

粉红噪声的特点是随频率下降而增大。粉红噪声在每十倍频程内的能量相等，所以功率谱密度与频率成反比。之所以称为粉红噪声是因为光学中主要为较低频率的光谱呈现粉红色。所有有源器件和部分无源器件中都存在白噪声。

半导体器件中的两种粉红噪声源为闪烁噪声和跳跃噪声。

闪烁噪声

闪烁噪声(也称为1/f噪声或接触噪声)是半导体材料缺陷引起电流随机波动而产生的过大噪声。所有类型的晶体管和部分类型的电阻存在闪烁噪声。碳素混合体电阻和扩散电阻是由半导体材料制成的，所以呈现闪烁噪声。闪烁噪声总是与直流电流有关。

闪烁噪声密度(ND)定义为：

式中，K为器件常数，I为直流电流，f为频率。

闪烁噪声属于一种具有不同来源的噪声现象，例如：

1. 双极晶体管中，闪烁噪声是由与基极-发射极结的污染和晶体缺陷相关的电子阱引起的。
2. JFET中，闪烁噪声是由沟道耗尽层中电子阱载流子引起的。
3. MOSFET中，表面缺陷是主要原因。

低于某个频率时，闪烁噪声将超过白噪声，该频率点称为拐点频率(Fc)，请参见图5。拐点频率通常在0.1Hz和1kHz之间，随噪声源不同而变化。所有闪烁噪声源以RSS方式相加，在半导体器件的输入或输出作为单噪声源，形成净噪声密度和拐点频率。

粉红噪声在示波器上的形状类似于具有附加低频分量的白噪声，图7所示为粉红噪声的例子。

跳跃噪声

跳跃噪声(也称为突发噪声)是捕获、激发载流子引起的电流低频调制，常见于双极晶体管，其原因与半导体材料中的重金属离子污染有关。之所以称为跳跃噪声是因为通过扩音器播放时会发出“砰砰”的爆破音。跳跃噪声以低于100Hz的速率随机发生，幅值离散，持续时间为1ms至1s。

跳跃噪声密度(ND)随频率下降而增大。

式中，K为器件常数，I为直流电流，Fc为拐点频率，f为频率。

跳跃噪声在示波器上表现为较大、低频、持续时间长的电压阶跃。图8所示为跳跃噪声的例子。

所有随机噪声源以RSS方式相加，在IC的输入或输出作为单噪声源，形成净噪声密度和拐点频率。

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