Дослідження цього явища показало, що струми і напруги в будь-яких електричних ланцюгах завжди роблять невеликі безладні (хаотичні) коливання, звані електричними флуктуаціями. Вони пояснюються тепловим рухом електронів. З підвищенням температури флуктуації посилюються.
Токи всіх електродів транзистора схильні до флуктуацій. Після посилення ці флуктуації при слуховому прийомі сигналів виявляються у вигляді шуму. Назва «власні шуми» застосовують і тоді, коли сигнали перетворюються на звукові коливання.
Будь постійний струм не є строго постійним, а крім постійної складової I0, має шумову змінну складову Iш. Це пояснюється тим, що внаслідок теплового руху число електронів, що проходять через поперечний переріз провідника в малі рівні проміжки часу, навіть при постійному струмі не постійно, а змінюється. Зазвичай шумовий струм дуже малий у порівнянні з струмом I0 .Теоретіческі і експериментально доведено, що шумовий струм являє собою суму змінних синусоїдальних складових з самими різними частотами від нуля до надвисоких. Але будь-який підсилювач (або інший пристрій) пропускає коливання тільки в певному діапазоні частот. Тому на виході підсилювача сприймається лише частина цих складових шуму, яка тим більше, чим ширше смуга частот коливань Ппр. пропускаються підсилювачем.
Власні шуми транзисторів обмежують чутливість радіоприймачів і інших пристроїв, що служать для виявлення, посилення і изме ренію слабких сигналів. Якщо корисні сигнали слабкіше власних шумів, то прийом цих сигналів дуже ускладнена-ється або навіть практично неможливий.
У будь-якому резистори за рахунок відбуваються в ньому електричних флуктуацій створюється деяка шумова ЕРС. Чинне значення шумової ЕРС Еш, що виникає в резисторі або в будь-який ланцюга з опором R, визначається формулою Найквіста
де k - постійна Больцмана, яка дорівнює приблизно 1,38 × 10 - 23 Дж / К; T - абсолютна температура.
Ця формула в практичних розрахунках для кімнатної температури набуває вигляду
де Еш - в мікровольтах, R-в кілоомах і Ппр -в кілогерцах.
Повний шум, що виникає в транзисторі, має кілька складових.
Теплові шуми обумовлені тепловими флуктуаціями електронів, характерними для будь-якого резистора. Оскільки всі області транзистора мають деяким опором, то в них виникають шумові напруги. Так як опору емітерний і колекторної області порівняно малі, то головну роль у створенні теплових шумів грає опір бази rб, тим більше що вона була придбана у вхідні ланцюг і шум від нього посилюється самим транзистором.
Дробові шуми походять від флуктуації інжекції і екстракції в емітерний і колекторно переході.
Шуми токораспределения викликані флуктуаціями розподілу емітерного струму між базою і колектором.
Рекомбііаціонние шуми мають своєю причиною флуктуації рекомбінації.
Крім того, додаткові шуми створюються за рахунок флуктуації струмів витоку в поверхневих шарах напівпровідників і деяких інших явищ. Ці шуми часто називають миготливими, або надмірними (мерехтіння ефект).
Потужності або напруги шумів тим більше, чим ширше смуга частот, в межах якої проявляється дія шумів.
Для оцінки шумових властивостей транзисторів служить коефіцієнт шуму Fш .Він визначається, так само, як і для будь-яких чотириполюсників, в такий спосіб.
Вплив шумів завжди характеризується відношенням потужності корисного сигналу Рс до потужності шумів РШ .На виході це відношення менше, ніж на вході, так як на виході обидві потужності посилені в kp раз, але до потужності шумів транзистор додає ще соб-жавного шум РШ. тр. Коефіцієнт шуму показує, у скільки разів відношення потужності сигналу до потужності шуму на вході більше, ніж на виході:
Прийнято вимірювати величину Fш в децибелах відповідно до формули
з якої випливає, що при значеннях Fш, рівних 10, 100 і 1000, значення F відповідно дорівнює 10, 20 і 30 дБ.
Сучасні транзистори мають F приблизно від 3 до 30 дБ (в середньому 10 - 20 дБ). Значення коефіцієнта шуму транзисторів вказується зазвичай для частоти 1 кГц і температури 20 ° С.
Шуми транзистора залежать від його параметрів і режиму роботи, а також від внутрішнього опору джерела підсилюються коливань (джерела сигналу) Rі.к. Чим менше у транзистора. тим більше шуми. Це пояснюється тим, що зменшення супроводжується зростанням струму бази, і він буде створювати на опорі rб більше шумова напруга, яке посилюється транзистором. Крім того, чим менше. тим інтенсивніше рекомбінація в базі, а вона також є причиною шумів.
Зі збільшенням опору rб і струму Iк0 шуми зростають. Матеріал напівпровідників також впливає на рівень шумів. Наприклад, кремнієві транзистори «шумлять» сильніше германієвих. Зниження напруги колекторного переходу Uк-б і струму емітера iе послаблює шуми, але до певної межі, так як при занадто малих Uк-б і iе зменшується і за рахунок цього шуми можуть зрости. Щоб шуми були мінімальними, опір Rі.к повинно мати деякий оптимальне значення, зазвичай кілька сотень ом. Підвищення температури різко збільшує власні шуми транзисторів. Теорія і досвід показують, що при інших рівних умовах шуми транзистора для всіх трьох основних схем ОЕ, ПРО і ОК приблизно однакові.
За частотою шуми розподілені нерівномірно. У діапазоні середніх частот F має мінімальне і приблизно постійне значення. Нижня частота f1 цього діапазону становить одиниці кілогерц. На частотах нижче f1 збільшуються миготливі шуми і за рахунок цього F зростає. Збільшення F на частотах вище f2 відбувається внаслідок зниження. Частота f2 може становити сотні кілогерц і більше. Вона тим вище, чим вище fa і приблизно в раз менше її.
З урахуванням зазначених вище залежностей виготовляють спеціальні малошумні транзистори, призначені для перших каскадів підсилювачів і радіоприймачів. Щоб шуми були мінімальними, такі транзистори використовують при знижених Uк-б і iе і температура у них повинна бути низькою. Ці транзистори мають високі значення і fa. але малі rб і Iк0.
У порівнянні з електронними лампами хороші транзистори «шумлять» в області середніх частот слабкіше, а на більш низьких і високих частотах - сильніше.
Власні шуми створюються і в напівпровідникових діодах, що доводиться враховувати при використанні діодів в перших каскадах приймачів НВЧ. Причини власних шумів діодів такі ж, як і у транзисторів. Це перш за все дробові шуми, пов'язані з флуктуаціями процесу інжекції в п - р-переході, і теплові шуми, обумовлені головним чином опором бази, яке зазвичай значно більше опору емітера. У діодах n - i - p область i також вносить теплової шум. У діодах так само створюється шум від флуктуації процесу рекомбінації і миготливий шум.
Для оцінки шумових властивостей діодів часто використовують спеціальний параметр - шумове ставлення. Воно показує, у скільки разів потужність шумів діода більше потужності шумів резистора, що має опір, рівний диференціального (вихідного) опору діода. У більшості діодів НВЧ шумове ставлення буває від 2 до 20. Рідше замість шумового відносини для діодів вказують еквівалентну шумове опір або коефіцієнт шуму в децибелах.
Як генератор певного шумової напруги використовують спеціальні шумові діоди, що працюють при зворотному напрузі в режимі почала електричного пробою. Такий режим нестійкий і характеризується тим, що пробій то виникає, то припиняється і, відповідно, струм безладно змінюється. Шумові діоди, що випускаються нашою промисловістю, робляться з кремнію. Вони працюють при токах від 10 мкА до 1 мА і зворотній напрузі від 6 до 10 В. Напруга шумів має вельми широкий спектр частот - від одиниць герц до декількох мегагерц.