Взрывной шум

У различных типов твердотельных приборов, таких как диоды и транзисторы на p‑n-переходах, туннельные диоды и композиционные резисторы, имеет иногда место электрический по характеру шум, проявляющийся в виде случайных «всплесков». Как правило, его обнаруживают у сравнительно небольшой части приборов определенного типа.

В своем простейшем виде данное явление проявляет себя как бистабильный сигнал ступенчатой формы, однородный по амплитуде, со случайно распределенными интервалами времени между ступенями. Изредка встречаются более сложные ступенчатые сигналы с тремя и более уровнями ступеней.

Причиной взрывного шума у p‑n-переходов с прямым смещением⁵ в настоящее время принято считать дефекты кристалла в области перехода. Природа таких дефектов точно не установлена, но последние экспериментальные данные указывают на то, что это – линии скольжении и дислокации в кристаллической структуре, а не металлические примеси. Механизм, обуславливающий взрывной шум у p‑n-переходов с обратным смещением, все еще не совсем ясен.

Рисунок – Типичный вид токового взрывного шума с наложенным на него белым шумом (а) и после удаления белого шума (б)

Типичный вид бистабильного взрывного шума приведен на рисунке (а). Он состоит из случайных ступенчатых импульсов, на которые наложен белый шум. Если «обрезать» этот шумовой сигнал таким образом, чтобы исключить составляющую белового шума, то он становится похожим на случайный телеграфный сигнал, как показано на рисунке (б).

Фотонный шум когерентного излучения

Дискретная природа электромагнитного излучения в виде фотонов приводит к флуктуациям потока фотонов. Рассмотрим идеальный детектор с квантовым выходом  = 1 (например, фотоячейку, с катода которой каждый фотон выбивает один электрон). В таком детекторе распределение падающих фотонов (количество фотонов, приходящих в единицу времени) может, в принципе, преобразовываться в соответствующее распределение импульсов тока. Таким образом, мы можем экспериментально регистрировать флуктуации электромагнитного излучения.

Рассмотрим теперь бесконечно длинную монохроматическую волну, так называемую когерентную волну. С классической точки зрения ее амплитуда и фаза не меняются со временем и не испытывают флуктуации. Поэтому при измерениях в течение одинаковых промежутков времени t мы будем ожидать при фиксированной мощности излучения Р₀ одно и то же среднее число фотонов . Поэтому средний фототок , где q – заряд, прошедший в цепи за время t.

Известно, что наблюдаемое число фотонов флуктуирует в соответствии с распределением Пуассона. В этом случае в интервале частот от  до + квадрат эффективного шумового тока электронов, обусловленного шумом когерентной электромагнитной волны, . Отношение сигнал – шум принято определять через отношение соответствующих мощностей: . Знаменатель этого выражения представляет собой эффективную эквивалентную мощность шума электромагнитного излучения .()

Это выражение описывает случай непосредственного приема сигнала. В случае гетеродинного приема шумы уменьшаются вдвое, а при гомодинном приеме – даже вчетверо.

В отличие от теплового шума, уровень которого понижается при высоких частотах вследствие наличия в проводниках паразитных емкости и индуктивности (подробно этот шум будет рассмотрен ниже), фотонный шум линейно возрастает с частотой. В области он начинает преобладать над тепловым шумом. При комнатной температуре это соответствует оптической и инфракрасной областям спектра.