
【計】 transistor noise
transistor
【計】 MOS transistor; npn
【化】 transistor
【計】 noise
【化】 noise; unpitched sound
晶體管噪聲(Transistor Noise)是指晶體管在工作過程中因載流子運動、材料缺陷或外部幹擾産生的非理想電信號波動現象。這種噪聲會直接影響電子設備的信噪比和信號完整性,是高頻電路、射頻系統及低功耗芯片設計中的關鍵參數。
從漢英詞典角度,"晶體管"對應英文"transistor",源自"transfer"(轉移)和"resistor"(電阻)的組合詞;"噪聲"對應"noise",源于拉丁語"nausea",指不規則信號。晶體管噪聲主要分為三類:
$$ V_n = 4kTRB $$
其中$k$為玻爾茲曼常數,$T$為溫度,$R$為電阻,$B$為帶寬(來源:《微電子電路》第5版,Sedra/Smith)。
$$ In = 2qI{DC}B $$
$q$為電子電荷量,$I_{DC}$為直流電流(來源:IEEE Xplore, DOI:10.1109/TED.2020.3026783)。
噪聲系數(Noise Figure)是衡量晶體管噪聲的核心指标,定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值。實驗測量中需使用頻譜分析儀和低噪聲放大器,通過Y因子法或冷源法獲取數據(來源:Keysight Technologies應用指南AN 57-2)。
在5G通信和物聯網芯片領域,廠商如Qualcomm和Texas Instruments通過異質結雙極晶體管(HBT)和FinFET工藝降低基極電阻$R_b$,從而抑制熱噪聲(來源:IEEE IEDM 2024技術白皮書)。
晶體管噪聲是指晶體管内部因載流子的不規則運動引起的電流或電壓隨機波動現象,這種噪聲會影響器件的信號放大性能,尤其在低信號或高頻場景下更為顯著。以下是其核心分類與形成機制:
熱噪聲(白噪聲)
由基區電阻或溝道電阻中載流子的熱運動産生,頻譜均勻分布,與溫度直接相關。公式表示為:
$$
v_n = 4kTRB
$$
其中,(k)為玻爾茲曼常數,(T)為溫度,(R)為電阻,(B)為帶寬。
散粒噪聲
因載流子通過PN結時數目和速度的隨機起伏導緻,常見于雙極型晶體管(BJT),與頻率無關。
配分噪聲
雙極型晶體管中,基區複合過程的隨機性引起集電極電流分配波動,導緻電流起伏。
1/f噪聲(閃爍噪聲)
低頻段噪聲顯著增強,與材料缺陷、表面态等因素相關,MOS管中尤為明顯。其功率譜密度與頻率成反比,表達式為:
$$
S(f) propto frac{1}{f^n} quad (1 leq n leq 2)
$$
噪聲系數(Noise Figure)是衡量晶體管噪聲的關鍵參數,低噪聲設計需通過優化工藝(如降低基區電阻)、選擇高頻器件或改進電路結構(如負反饋)實現。
如需更深入的技術細節或公式推導,可參考半導體器件物理相關文獻或權威資料。
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