Твердотельная технология начала развиваться невероятно быстрыми темпами со времени появления германиевого транзистора. В наши дни приборы на твердом теле используются в самых различных областях. Спектр этих приборов чрезвычайно широк. К ним относятся известный кремниевый биполярный транзистор и различные типы полевых транзисторов; устройства СВЧ, например лавинно-пролетный диод, инжекционно-про-летный диод и диод Ганна; устройства на туннельном эффекте, например диод Исаки, контакт Джозефсона и сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид); электронно-оптические приборы. Во всех этих устройствах в той или иной форме присутствуют шумы, которые при использовании слабых сигналов часто являются фактором, накладывающим ограничения на их характеристики.

Основная цель этой книги заключается в рассмотрении физических характеристик шумов в ряде устройств на твердом теле. Обсуждаются также шумы в некоторых нелинейных системах, например в параметрическом усилителе и генераторе ван-дер-Поля; исследуется выделение сигнала из шума в связи с вопросами обнаружения гравитационного излучения.

Изложение опирается на математическое исследование в общем виде, в котором устанавливаются свойства последовательностей случайных сигналов и импульсных процессов. В книге главным образом рассматриваются тепловой и дробовой шумы, а также генерационно-рекомбинационный (г-р) шум, повсеместно распространенный 1 -шум, взрывной шум, неравновесный джонсоновский шум, связанный с разогревом электронов, и лавинный шум, обусловленный ударной ионизацией. Каждая глава сопровождается обширной библиографией, позволяющей заинтересованному читателю глубже изучить обсуждаемую тему.

8 Предисловие

В заключение мне хотелось бы выразить признательность ряду издательств за разрешение воспроизвести рисунки из опубликованных ими статей (это специально оговаривается в тексте). В течение всего времени работы над книгой меня постоянно поддерживал и вдохновлял г-н Майкл Хорвуд, за что я ему благодарен. И наконец, я хотел бы поблагодарить свою жену за ее терпение и жизнерадостность, которые в большой степени способствовали успешному завершению работы над этой книгой.

М, Дж, Букингем

Вашингтон, округ Колумбия декабрь 1982 г.

На клеммах электронных устройств и систем наблюдаются случайные флуктуации напряжения (или тока), и эти флуктуации обычно называют шумом. Этот шум не обусловлен, например, дефектом контактов или каким-либо другим устранимым паразитным эффектом, а присущ самой системе. Он зарождается в результате случайного (на микроскопическом уровне) поведения носителей заряда внутри электронных составляющих систем. Именно такой тип шума будет в основном рассматриваться в этой книге.

Шумящий электронный прибор с парой входных и парой выходных клемм (т. е. четырехполюсник) представлен на рис. 1.1, а. Шум может обусловливаться наличием внутри системы одного или более источников. Удобный способ представления системы с шумом иллюстрируется на рис. 1.1,6, на котором изображен свободный от шума многополюсник, а шум представлен шумовыми генераторами тока ini(t) на входе и in2{t) на выходе. Эти два генератора тока могут обладать некоторой степенью корреляции, так как механизмы, приводящие к появлению шума на обоих концах, могут иметь некую общую природу. Альтернативное представление системы с шумом показано на рис. 1.1, в, на котором сама схема также свободна от шума, но в данном случае шум представлен шумовыми генераторами напряжения Vni{t) на входе и Vn2{t) на выходе (которые могут коррелировать между собой).

Чтобы конкретизировать шумовые генераторы на входе и выходе, необходимо знать подробности схемы и характеристики внутренних источников шума. Здесь внутренние источники связаны с электронными устройствами внутри системы и, вообще говоря, сильно зависят от прибора, несмотря на то что физические механизмы, ответственные за этот шум, могут быть общими для целого круга устройств. Много места в книге уделяется механизмам возникновения шума и связанным с ними шумовым генераторам в конкретных устройствах. Основной акцент делается на твердое тело, так как шумы в вакуумных трубках подробно рассмотрены в других работах (например [1]).

Введение