Fluktuationen und Dynamik aktiver Halbleiter-Bauelemente

1 Grundlagen.- 1.1 Definition von Rauschgrößen.- 1.2 Langevin-Gleichungen.- 1.3 Fokker-Planck-Gleichung.- 1.4 „Master“-Gleichung.- 2 Van der Pol Oszillator und äquivalentes thermisches Rauschen.- 2.1 Normal-Moden.- 2.2 Serienkreis mit negativem, nichtlinearem Widerstand.- 2.3 Selbsterregter Oszillator.- 2.4 Thermisches Rauschen.- 2.5 Potential und Phasenübergang.- 2.6 Fokker-Planck-Gleichung und Momentendarstellung.- 2.7 AM- und FM-Rauschen.- 2.8 Leistungsspektrum.- 2.9 Vergleich zwischen AM- und FM- Rauschleistung.- 3 Injektionslaser und spontane Emission als Rauscheinströmung.- 3.1 Darstellung der Laser-Feldgleichung.- 3.2 Rate der spontanen Emission und Photonen-Bilanzgleichung.- 3.3 Elektronen-Bilanzgleichung.- 3.4 Potential und Fokker-Planck Gleichung.- 3.5 FM-Rauschen, Leistungsspektrum und Linienbreite nahe am Träger.- 3.6 Intensitätsrauschen.- 3.7 FM-Rauschen und Leistungsspektrum für beliebige Frequenzablagen.- 3.8 Externe Synchronisation.- 4 Lawinenlaufzeit-Dioden und Schrotrauschen.- 4.1 Schrotrauschen.- 4.2 Strom-Korrelationsfunktion.- 4.3 Lawinenprozeß.- 4.4 Impedanz und Rauschmaß einer Read-Diode.- 4.5 Großsignal-Wirkwiderstand und -Rauschen.- 4.6 Leerlauf-Rauschspannung einer GaAs pin-Diode.- 5 Gunn-Element und das thermische Rauschen heißer Elektronen.- 5.1 Elektronentransfer-Mechanismus.- 5.2 Rauscheinströmung.- 5.3 Leerlauf-Rauschspannung.- 5.4 Kleinsignal-Rauschmaß.- A Anhang.- A.1 Transformation von Langevin-Gleichungen.- Stichwortverzeichnis.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Harth (em.), Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, TU München

Aktive Halbleiter-Bauelemente können zur Umsetzung von Gleichleistung in Wechselleistung herangezogen werden. Bei den hier beispielhaft behandelten aktiven Zweipolen kann durch interne Rückkopplung ein negativer Widerstand auftreten, mit dem ein Resonator entdämpft wird und somit ein Oszillator entsteht. Dieser Oszillator wird charakterisiert durch seine Amplitude und Frequenz sowie deren Fluktuationen, nämlich Amplituden- und Frequenzrauschen. Damit ein Oszillator überhaupt einen stabilen Arbeitspunkt erreicht, muß das zugehörige aktive Bauelement eine nichtlineare Aussteuer-Charakteristik aufweisen. Bei der Beschreibung der Fluktuationen solcher Bauelemente muß daher die Kenntnis ihrer Dynamik vorausgehen. Dieses Buch behandelt Fluktuationsphänomene und deren Einfluß auf die Dynamik von aktiven Halbleiter-Bauelementen und stellt die vier wichtigsten Rauscheinströmungen ausfürhlich dar: äquivalentes thermisches Rauschen eines negativen Widerstandes, spontane Emission, Schrotrauschen und Rauschen heißer Elektronen. Diese Fluktuationen beeinflussen dabei wesentlich die Funktionseigenschaften des Van der Pol-Oszillators mit negativem, nichtlinearem Widerstand, des Injektionslasers sowie der Lawinenlaufzeit-Diode und des Gunn-Elements. Mit Hilfe der Langevin-Gleichungen, der Fokker-Planck- und Master-Gleichung werden zusammen mit den entsprechenden Autokorrelationsfunktionen jeweils die spektralen Dichten für Amplitude, Phase und Ausgangsleistung sowie Linienbreite und Rauschmaß bestimmt. Dieses Buch vermittelt Studierenden der Elektrotechnik und der Physik ein vertieftes Verständnis aktiver Halbleiter-Bauelemente aus den Bereichen Hochfrequenz-Elektronik und Opto-Elektronik. Dem Ingenieur in der Praxis kann diese Monographie eine nützliche Einführung in stochastische Phänomene auf diesem Gebiet sein. Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse über Differentialgleichungen und Funktionentheorie.