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La présente invention est relative à un mode de fonctionnement des transistors qui améliore fortement le rapport signal-bruit. Plus spécifiquement, l'invention pro- duit en eux un niveau de tension efficace de bruit exception- nellement bas, rapporté aux bornes d'entrée.
On a publié à la fois une théorie très complète et de nombreux rapports de laboratoire concernant le bruit des transistors. Il existe actuellement une conception générale que les transistors sont essentiellement plus bruyants'que les tubes à vide, quoique certains transistors aient été réalisés qui avaient un niveau de bruit, une résistance équi- valente de bruit ou un facteur de bruit largement inférieur aux transistors moyens. De même, il, est généralement admis que les transistors du typé à jonction sont' moins bruyants que les transistors du type à contact. , .
Dans la conceptiondes auteurs de l'invention, les transistors sont essentiellement moins bruyants que les tu- bes à vide et leur réputation de bruit élevé est le, résultat d'un mode de fonctionnement malheureux généralement accepté et utilisé largement.. ' "
La présente invention réduit énergiquement le bruit de tous les transistors, aussi bien ceux du type à contact que ceux du type à jonction, qu'ils soient ou non fabriqués ou sélectionnés avec une attention particulière en vue de mini- miser le bruit.
La nouvelle méthode de fonctionnement de tran- sistors en vue de réduire le bruit, formant l'objet de lapré- sente invention, est si efficace qu'on a été capable de fai- re fonctionner;certains transistors à jonction P-N-P , en l'oc- curence le Raytheon CK 721, à des niveaux de bruit d'entrés ' plus bas qu'avec des tubes à vide, même le 6, AK 5 conneete
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en triode. On a mesuré des tensions efficaces de bruit, rapporté à l'entrée, dans une bande passante de 2U kilocy- cles, aussi faible que 0,3, 0,2 et même 0,1 microvolt.
On a reconnu depuis longtemps que la plus grande source de bruit dans les transistors est la jonction collec- trice . De plus, on a trouvé que : (1) le bruit de collecteur est complètement indépen- dant du courant de collecteur (dans le CK-721, particulière- ment lorsque le courant de collecteur est inférieur à envi- ron 1 milliampère) pour autant que la tension d'intervalle collecteur soit presque nulle, ou nulle, ou même légèrement inversée.
On appelle "tension d'intervalle collecteur", la chute de tension entre la borne du collecteur et la borne de la base ; (2) le bruit de collecteur est extrêmement faible lors- que la tension d'intervalle collecteur est telle que décrite plus haut ; (3) un transistor ne perd pas sa capacité d'amplifier des tensions de signal et de puissance de signal si sa ten- sion d'intervalle collecteur est nulle ou presque nulle. La puissance en courant continu fournie par la source de pola- risation de l'émetteur est suffisante pour maintenir l'ampli- fication.
La source de polarisation de l'émetteur peut tre représentée principalement par l'alimentation de polarisa- tion de l'émetteur ou conjointement par l'alimentation en courant continu de l'émentteur et du collecteur ; (4) la source principale de la composante basse fréquen- ce ou composante "1/f" du bruit du transistor se trouve dans la jonction collectrice.
En maintenant la tension d'inter- valle collecteur très basse ou nulle, tel que décrit, la composante 1/f du bruit est presque éliminée, amenant a insi
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.La distribution générale de fréquences du bruit du transis- ter à ressembler étroitement à celle du bruit thermioue or- dinaire ou du brui des tubes à vide; (5) les transistors peuvent fonctionner comme amplifi- cateurs utiles de tension et de puissance avec des chutes de tension collecteur-émetteur particulièrement basses (in- férieures à 300 millivolts) conjointement avec des impédan- ces de charge du collecteur particulièrement basses (1000 ohms, 500 ohms, 100 ohms).
Lorsqu'on fait fonctionner des transistors de cet- te nouvelle manière,on enfreint manifestement les règles généralement acceptées pour le fonctionnement des transis- tors ('-voir, par exemple, W.Shockley, M. Sparks et G.K.
Teal, Bell Tel. Monpgraph 1909, 1-12, 1951). Ceci sera mieux compris en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels : - la figure 1 montre un transistor à jonction P-N-P fonctionnant de manière 'habituelle et ayant, son émet- teur à la terre ; - la figure 2 montre le même transistor fonction- nant suivant la présente invention et présentant un bruit fortement réduit;
. - la figure 3 interprète les principes essentiels de la figure 1, c et d du "transistor polarisé comme un amplificateur" (transistor biased as an amplifier) dans l'ar- ticle de Shockley', Sparks et Teal cité plus haut, par oppo- sition à - la figure 4 qui montre comment les énergies sont distribuées entièrement différemment lorsqu'on fait fonction- ner les transistors suivant la présente invention de réduc- tion de bruit.
Cette nouvelle méthode de faire fonctionner les
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transistors qui fournit un bruit de transistor exception- nellement bas,est appelée : "fonctionnement silencieux des transistors" (hushed transistor opération) indiquant que le buit a été fortement réduit.
La figure 1 montre une distribution de tension ty- pe dans un transistor P-N-P dont l'émetteur est à la terre et qu'on fait fonctionner de la manière conventionnelle. La tension d'intervalle collecteur est de 3 volts et la tension d'intervalle émetteur de 0,5 volt . Dans plusieurs cas, des tensions beaucoup plus élevées sont utilisées dans les deux intervalles. En réalité, il n'est pas inhabituel de faire fonctionner des transistors avec une tension d'intervalle collecteur de 20 .volts et une tension d'intervalle émetteur de plusieurs volts, par exemple 3 volts. Cependant, le point important est que dans tous ces cas, jusqu'ici nor- maux, la tension d'intervalle collecteur est substantielle- ment plus élevée que la tension d'intervalle émetteur.
Dans la figure 1 comme dans la figure 2, 1 désigne l'entrée et O la sortie du transistor.
Le circuit suivant la présente invention, à la . figure 2, présente une distribution de tensions entièrement différente. On peut utiliser, tel qu'indiqué, une tension de d'intervalle collecteur/10 millivolts seulement et une ten- sion d'intervalle émetteur de 300 millivolts, rendant la ten- sion d'intervalle émetteur 30 fois plus grande que la terision d'intervalle collecteur. Dans d'autres cas, on peut utili- ser une tension d'intervalle collecteur nulle et à nouveau des tensions d'intervalle émetteur de 100, 200, 500 milli- volts ou même plus. Dans tous ces cas, on trouve un bruit de transistor exceptionnellement bas et des gains en tension acceptables s'étageant d'un peu plus que 1 à plus de 100.
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On a aussi .trouvé d'autres cas dans lesquels on a des gains et un bruit tout à fait acceptables et ou' la tension d'intervalle collecteur n'est pas seulement nulle ou presque nulle mais même de polarité inversée, par exemple, moins de 10 millivolts, rendant la tension totale entre le collecteur et l'émetteur à la terre, en fait plus faible qu la tension totale entre la base et l'émetteur à la terre.
Le tableau suivant donne des mesures types de ten- sion, gain et bruit qui ont été faites avec des transistors à jonction Raytheon CK 721 rendus silencieux (hushed).
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EMI6.1
<tb>
Essai <SEP> Collecteur <SEP> Collecteur <SEP> Base <SEP> Intervalle <SEP> Intervalle <SEP> Résistance <SEP> Gain <SEP> Bruit <SEP> à
<tb>
EMI6.2
n )lA mV mV Collecteur émetteur de approx. 20 KC
EMI6.3
<tb> mV <SEP> mV <SEP> charge <SEP> approxim.
<tb>
EMI6.4
;....j ,'\ .t 25}!lA 70 mV 90 mV - 20 mV 90 mV 1.000 0,3}lV fI 1 90 mu 1.000 093 2 r 25 /lA t 110 mV ' 80 mV t 30 mV 30 mV 10.000 t 5 t 0,4 r t 3 t ,1. 100 A 1 110 mV 110 mV 1 1 , 1.0 mV 1 510 t 4 t a 3 l llV t 4 1100 y nA 10o mV t 95 mV t 5 mV ' 1 95 MV 7.500 t ' 6 1 0 2 PV t t 400 1. nA 1 110 mV t 90 mV 1 1 20 mV t 90 mV t 510 , t 4 t t Ot25uV t r r 6 r .00 uA 1 110 mV ' 120 .mV 1 -10 ,mV 120 , mV 1 7-500 1 5 Ot 5 /xV t ' , 7 i ' 1 mA t 150 mV 150 miT t 0 r t 150 mV 100 1 t 5 '0 3}.IV ' $ 1 1 mA t 125 mV ' 165 mV t -40 mV ' 16 5 mV ' 1.000 2 t 5 t t Oo35iv 1 t t t t t t
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Ces mesures montrent clairement les conditions inhabituelles dans lesquelles les transistors CK 721 silen- cieux (hushed) fonctionnaient.
Malgré la large gamme de cou- rants (40:1) que ces essais couvraient, la tension du collec- teur demeurait inférieure à 150 millivolts et la tension d'intervalle collecteur était toujours exceptionnellement faible. Elle oscillait aux environs de zéro, soit entre 30 millivolts et moins 40 millivolts. Les résultats de ces mesures, pour ce qui concerne la réduction du bruit, sont encore plus extraordinaires. Le bruit dans une bande passan- te de 20 kilocycles n'excédait pas 0,5 micrevolt et attei- gnait un minimum de 0,2 microvolt malgré le fait que le même transistor CK 721 présentait des tensions de bruit entre 5 microvolts et 200 microvolts lorsqu'il fonctionnait suivant le circuit habituel représenté à la figure 1.
.Les figures 3 et 4 montrent une comparaison des conditions d'énergie électronique dans le transistor fonc- tionnant normalement et le transistor rendu silencieux (hus- hed) (c'est-à-dire l'énergie d'un électron ou d'un trou sui- vant qu'on discute d'un transistor P-N-P ou N-P-N).
En se référant une fois de plus à l'article de Shockley, Sparks et Teal mentionné plus haut .(particulière- ment à leur figure 1, c et d, qui montre un transistor "polarisé en amplificateur"), les caractéristiques essen- tielles de la distribution d'énergie des porteurs (dans ce cas-ci le trou) sont représentées à la figure 3. On voit que la tension d'intervalle collecteur ou de la jonction de col- lecteur est substantiellement plus élevée que la tension d'intervalle émetteur (vu que les énergies des porteurs en électron volts correspondent à la tension appliquée si on né- glige les énergies thermiques). Ce procédé de polarisation
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a été suivi religieusement en pratique, et de ce fait des tensions de bruit élevées ont été obtenues.
Aux figures 3 et 4, C représente le collecteur, B la base et E l'émetteur. Les diagrammes donnent en abscisse la distance le long du transistor (D) et en ordonnée l'éner- gie de trou (HE).
La figure 4 montre le mode de polarisation d'un transistor, suivant la présente invention. Les lignes poin tillées indiquent qualitativement la gamme dans laquelle peut varier la tension d'intervalle collecteur (ou jonction) . On voit une différence frappante entre les figures 3 et 4.
Dans la figure 4, presque toute la chute de tension apparatt à la jonction émettrice, tandis que.dans la figure 3, la situation e.st inverse et presque toute la chute de tension apparaît à la jonction collectrice.
Ce changement radical des conditions de polarisa- tion produit des effets aussi radicaux dans le fonctionne- ment du transistor silencieux (hushed).
(1) Le bruit dans la jonction collectrice est maintenu à un minimum car le champ y est exceptionnellement faible.
Ceci réduit fortement 1' "entassement" des porteurs non li- bres (porteurs liés) qui' sont libérés par unité de temps dans cette région. On admet généralement que l'énergie thermique des porteurs liés conjointement au champ électrique auquel ils sont soumis, leur donne une énergie suffisante pour être libérés. Cependant, cette libération, suivant la théorie de l'invention, produit un entassement des porteurs libérés.
Le bruit peut être expliqué comme étant le résultat de réactions en chaîne locales dans lesquelles un premier porteur libéré produit une brusque modification locale de champ qui amené rapidement d'autres porteurs dans cette région à s'échapper
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On croit que l'effet d'entassement est influsncé dans une grande mesure par la condition que la tension d'in- valle collecteur est pratiquement égale ou très supérieure à l'énergie thermiaue des porteurs liés* A ;La température , ...
EMI9.1
anibiante, l'énergîe inoyenlje ces porteurs est : 'j) ambiante, l'énergie moyenne de ces porteurs est .
KT = 1,4 x 10 x 29,3 ergs = 26 millivolts (électron volts où K est la constante de Boltzman et T la température absolue
EMI9.2
>le.. ':> <... , "..... . - :.s '"" .... - '1 Il Les essais ci-dessus apportent un sputieii d'une ampleur éton- nante à cette théorie. Même la plus haute tension d'inter- ' valle collecteur enregistrée, 40 millivolts, est bien de l'ordre de KT - 26 millivolts. En réalité, le fonctionne- ment silencieux (hushed) peut être attendu quand. le rapport Vcg/KT/e est compris entre 0,1 et 1,5,où Vcg est la tension d'in- tervalle collecteur et e la charge électronique du porteur.
C'est l'entassement des porteurs, ainsi décrit , qui semble être plus responsable du bruit et de son spectre particu- lier plutôt qu'uniquement la simple conception que les por- teurs sont libérés au hasard.
(2) On maintient une chute de tension faible, quoique suffisante entre émetteur et collecteur pour vaincre l'éner- gie thermique des porteurs et ainsi défavoriser la diffusion en retour des porteurs,du collecteur à l'émetteur.
(3) Du fait de la faible tension d'intervalle collec- teur cependant, les gains de tension sont faibles, parfois seulement de l'ordre de deux ou trois. Cependant, malgré ces gains relativement faibles, on obtient d'excellents rapports signal-bruit.
(4) Les tensions d t intervalle émetteur sont suffisam- ment faibles, moins de 500 millivolts, pour maintenir le bruit d'émetteur suffisamment bas pour empêcher que l'émet- teur ne devienne une source majeure de bruit après que l'in-
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valle collecteur ait été rendu silencieux (hushed) par une chute de tension extrêmement faible ou même nulle à cet in- tervalle.
Les essais ont de plus montré que la polarisation d'un transistor en vue d'un bruit minimum,-,ne coïncide habi-.
' tuellement pas avec sa polarisation pour un.gain de.tension ou de puissance maximum. AVec des tension d'intervalle col- lecteur relativement élevées, le gain au. minimum .'de bruit peut n'être que de 1/10 à 1/2 fois le gain maximum. D'un au- tre côté, avec des faibles tensions d'intervalle collecteur, lorsque la réduction au silence du transistor est la plus . efficace, le gain au minimum de bruit et le'gain maximum sont moins différents l'un de l'autre. Ils peuvent même être iden- tiques, c'est-à-dire qu'à faible tension d'intervalle collec- teur, un transistor polarisé en vue d'un bruit minimum peut se trouver être polarisé en vue d'un gain maximum.
Quoique les dessins représentent des transistors
P-N-P fonctionnant avec un circuit émetteur à la terre, la présente invention est également applicable à n'importe quel autre type de transistor ou de configuration soit avec émet- teur à la terre, base à la terre ou collecteur à la terre.
De même, tandis que les dessins représentent des étages de transistor couplés avec résistance et capacité la présente invention peut être appliquée à toute autre forme de coupla- ge comprenant le couplage par transformateur, le. couplage par self, le couplage en courant continu., etc... Les circuits de polarisation exposés dans les dessins n'imposent aucune limitation à la présente invention, vu quee n'importe quelle forme de polarisation de base ou d'émetteur peut être appli- quée.
Etant donné que la plupart des transistors rendus
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silencieux (hushed) fonctionnent à des tensions substantielle ment inférieures à un volt et avec une résistance de charge de plaque modéréeà faible, la force électromotrice habituelle de 1,4 volts d'une'pile sèche ordinaire se trouve souvent être trop élevée pour le fonctionnement avec succès d'un transistor silencieux (hushed).
On réduit de ce fair souvent, ' la tension d'alimentation au moyen de diviseurs de tension convenables qui sont alimentés par une seule pile sèche stan- dard ou des batteries spéciales de force électromotrice très faible pouvant être étudiées pour alimenter des transistors silencieux (hushed),
D'un autre c8té, on trouve souvent désirable d'u- tiliser des plus grandes tensions d'alimentation de polarisa- tion que des tensions d'alimentation de circuit de charge, étant donné qu'une résistance de polarisation relativement grande, tend moins à réduire l'impédance d'entrée effective du transistor qu'une faible résistance de polarisation qui fournit le courant de polarisation dans l'intervalle émet- teur à partir d'une faible source de tension de polarisation.
La description des résultats des essais et les tensions et chutes de tension des dessins, sont entièrement basées.sur un petit transistor à jonction au germanium. Les valeurs varieront considérablement avec des transistors plus grands ou plus petits, et également si ce sont des transis- tors du type à jonction ou à contact. De plus, d'autres ma- tières, telles que du silicium au lieu de germanium, amène- ront des changements supplémentaires aux conditions de polar!- nation en vue du bruit minimum. Cependant, le principe de base de la présente invention, consistant en une réduction énergique de la tension d'intervalle collecteur dans le but d'une réduction du bruit et en un sacrifice sur le gain ne se-*
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ra pas atteint par ces modifications.
REVENDICATIONS.-
1.- Transistor ayant un intervalle émetteur et un intervalle collecteur, dans lequel la chute de tension à travers l'intervalle collecteur est essentiellement nulle.
2.- Transistor ayant un intervalle émetteur et un intervalle collecteur, dans lequel, essentiell ment, la chu- te de tension à travers l'intervalle collecteur, en milli- volts, est du même ordre que l'énergie thermique des por- teurs liés dans l'intervalle collecteur, exprimée en élec- tron-millivolts.
3. - Transistor ayant un intervalle émetteur et un intervalle collecteur, dans lequel la chute de tension à travers l'intervalle ,collecteur, exprimée en millivolts, est inférieure à cinq fois lénergie thermique moyenne des por- teurs liés dans l'intervalle, collecteur, exprimée en 'électron-millivolts.
4.- Transistor ayant un.intervalle émetteur et un intervalle collecteur, dans lequel la chute de tension à travers l'intervalle collecteur est-inférieure à trois fois l'énergie thermique moyenne des porteurs liés/dans l'inter- valle collecteur, exprimée en électron-millivolts.
5*- Transistor ayant un intervalle émetteur et un intervalle collecteur, dans lequel la chute de tension à travers l'intervalle collecteur est inférieure à deux fois l'énergie thermique moyenne des porteurs liés dans l'interval le collecteur, exprimée en électron-millivolts.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to an operating mode of transistors which greatly improves the signal-to-noise ratio. More specifically, the invention produces in them an exceptionally low noise rms voltage level, referred to the input terminals.
Both a very complete theory and numerous laboratory reports concerning the noise of transistors have been published. There is presently a general view that transistors are essentially noisier than vacuum tubes, although some transistors have been made which had a much lower noise level, noise equivalent resistance, or noise figure than average transistors. . Likewise, it is generally accepted that junction type transistors are quieter than contact type transistors. ,.
In the design of the inventors, transistors are essentially quieter than vacuum tubes and their reputation for high noise is the result of an unfortunate mode of operation generally accepted and used widely. ""
The present invention drastically reduces the noise of all transistors, both of the contact type and of the junction type, whether or not they are manufactured or selected with particular attention to minimize noise.
The novel method of noise reduction operation of transistors, forming the object of the present invention, is so efficient that it has been possible to operate certain PNP junction transistors by Occurs the Raytheon CK 721, at lower input noise levels than with vacuum tubes, even the 6, AK 5 conneete
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in triode. RMS noise voltages, referred to the input, have been measured in a bandwidth of 2U kilocycles, as low as 0.3, 0.2 and even 0.1 microvolts.
It has long been recognized that the greatest source of noise in transistors is the collector junction. In addition, it has been found that: (1) the collector noise is completely independent of the collector current (in the CK-721, especially when the collector current is less than about 1 milliampere) however whether the collector gap voltage is almost zero, or zero, or even slightly reversed.
Called "collector gap voltage", the voltage drop between the terminal of the collector and the terminal of the base; (2) the collector noise is extremely low when the collector gap voltage is as described above; (3) A transistor does not lose its ability to boost signal and signal power voltages if its collector gap voltage is zero or nearly zero. The direct current power supplied by the transmitter polarization source is sufficient to maintain amplification.
The source of polarization of the emitter can be represented mainly by the polarization power supply of the emitter or jointly by the direct current power supply of the elementor and the collector; (4) the main source of the low frequency component or "1 / f" component of the noise of the transistor is in the collector junction.
By keeping the collector gap voltage very low or zero, as described, the 1 / f component of the noise is almost eliminated, thereby
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.The general frequency distribution of the transistor noise to closely resemble that of ordinary thermal noise or vacuum tube noise; (5) Transistors can function as useful voltage and power amplifiers with particularly low collector-emitter voltage drops (less than 300 millivolts) in conjunction with particularly low collector load impedances (1000 ohms). , 500 ohms, 100 ohms).
When operating transistors in this new way, it is clearly a violation of generally accepted rules for the operation of transistors ('- see, for example, W. Shockley, M. Sparks and G.K.
Teal, Bell Tel. Monpgraph 1909, 1-12, 1951). This will be better understood by reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows a P-N-P junction transistor operating in the usual way and having its emitter grounded; FIG. 2 shows the same transistor operating according to the present invention and exhibiting greatly reduced noise;
. - figure 3 interprets the essential principles of figure 1, c and d of the "transistor biased as an amplifier" (transistor biased as an amplifier) in the article by Shockley ', Sparks and Teal cited above, by oppo Figure 4 shows how the energies are distributed entirely differently when operating the transistors according to the present noise reduction invention.
This new method of operating the
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transistors which provides exceptionally low transistor noise, is called: "hushed transistor operation" indicating that the noise has been greatly reduced.
Figure 1 shows a typical voltage distribution in a P-N-P transistor whose emitter is grounded and operated in the conventional manner. The collector gap voltage is 3 volts and the emitter gap voltage is 0.5 volts. In many cases, much higher voltages are used in both intervals. In reality, it is not unusual to operate transistors with a collector gap voltage of 20 volts and an emitter gap voltage of several volts, for example 3 volts. However, the important point is that in all of these heretofore normal cases, the collector gap voltage is substantially higher than the emitter gap voltage.
In Figure 1 as in Figure 2, 1 designates the input and O the output of the transistor.
The circuit according to the present invention, at. Figure 2 shows an entirely different voltage distribution. A collector gap voltage / 10 millivolts only and a transmitter gap voltage of 300 millivolts can be used, as indicated, making the transmitter gap voltage 30 times greater than the d. 'collector interval. In other cases, a zero collector gap voltage and again emitter gap voltages of 100, 200, 500 milli-volts or even more can be used. In all of these cases, we find exceptionally low transistor noise and acceptable voltage gains ranging from just over 1 to over 100.
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We have also found other cases in which we have quite acceptable gains and noise and where the collector gap voltage is not only zero or almost zero but even of reverse polarity, for example, less. of 10 millivolts, making the total voltage between the collector and the emitter to ground, in fact lower than the total voltage between the base and the emitter to ground.
The following table gives typical voltage, gain, and noise measurements that were made with Raytheon CK 721 junction transistors that were hushed.
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EMI6.1
<tb>
Test <SEP> Collector <SEP> Collector <SEP> Base <SEP> Interval <SEP> Interval <SEP> Resistance <SEP> Gain <SEP> Noise <SEP> at
<tb>
EMI6.2
n) lA mV mV Collector emitter of approx. 20 KC
EMI6.3
<tb> mV <SEP> mV <SEP> load <SEP> approx.
<tb>
EMI6.4
; .... j, '\ .t 25}! lA 70 mV 90 mV - 20 mV 90 mV 1.000 0.3} lV fI 1 90 mu 1.000 093 2 r 25 / lA t 110 mV' 80 mV t 30 mV 30 mV 10,000 t 5 t 0.4 rt 3 t, 1. 100 A 1 110 mV 110 mV 1 1, 1.0 mV 1 510 t 4 ta 3 l llV t 4 1100 y nA 10o mV t 95 mV t 5 mV '1 95 MV 7.500 t' 6 1 0 2 PV tt 400 1. nA 1 110 mV t 90 mV 1 1 20 mV t 90 mV t 510, t 4 tt Ot25uV trr 6 r .00 uA 1 110 mV '120 .mV 1 -10, mV 120, mV 1 7-500 1 5 Ot 5 / xV t ', 7 i' 1 mA t 150 mV 150 miT t 0 rt 150 mV 100 1 t 5 '0 3} .IV' $ 1 1 mA t 125 mV '165 mV t -40 mV' 16 5 mV '1.000 2 t 5 tt Oo35iv 1 tttttt
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These measurements clearly show the unusual conditions under which the silent (hushed) CK 721 transistors operated.
Despite the wide current range (40: 1) that these tests covered, the collector voltage remained below 150 millivolts and the collector gap voltage was still exceptionally low. It hovered around zero, or between 30 millivolts and minus 40 millivolts. The results of these measures, in terms of noise reduction, are even more extraordinary. The noise in a bandwidth of 20 kilocycles did not exceed 0.5 microvolts and reached a minimum of 0.2 microvolts despite the fact that the same transistor CK 721 exhibited noise voltages between 5 microvolts and 200 microvolts. when it was operating according to the usual circuit shown in Figure 1.
Figures 3 and 4 show a comparison of the electronic energy conditions in the normally operating transistor and the silenced (hus-hed) transistor (i.e. the energy of an electron or a hole following discussion of a PNP or NPN transistor).
Referring once again to the article by Shockley, Sparks and Teal mentioned above (particularly their figure 1, c and d, which shows an "amplifier biased" transistor), the essential characteristics of the energy distribution of the carriers (in this case the hole) are shown in Fig. 3. It can be seen that the voltage of the collector gap or of the collector junction is substantially higher than the voltage of emitter interval (given that the energies of the carriers in electron volts correspond to the applied voltage if thermal energies are neglected). This polarization process
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has been followed religiously in practice, and thereby high noise voltages have been obtained.
In Figures 3 and 4, C represents the collector, B the base and E the emitter. The diagrams give the distance along the transistor (D) on the abscissa and the hole energy (HE) on the ordinate.
FIG. 4 shows the mode of polarization of a transistor, according to the present invention. The dotted lines qualitatively indicate the range in which the collector gap voltage (or junction) can vary. There is a striking difference between Figures 3 and 4.
In Fig. 4, almost all of the voltage drop occurs at the emitting junction, while in Fig. 3 the situation is reversed and almost all of the voltage drop occurs at the collector junction.
This drastic change in polarization conditions produces such drastic effects in the operation of the silent (hushed) transistor.
(1) The noise in the collector junction is kept to a minimum because the field is exceptionally weak.
This greatly reduces the "crowding" of non-free carriers (bound carriers) which are released per unit time in this region. It is generally accepted that the thermal energy of the carriers linked jointly to the electric field to which they are subjected, gives them sufficient energy to be released. However, this release, according to the theory of the invention, produces an accumulation of the released carriers.
Noise can be explained as being the result of local chain reactions in which a first released carrier produces a sharp local change in field which quickly causes other carriers in that region to escape.
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It is believed that the crowding effect is influenced to a great extent by the condition that the collector interval voltage is practically equal to or much greater than the thermal energy of the bound carriers * A; Temperature, ...
EMI9.1
anibiant, the energy inoyenlje these carriers is: 'j) ambient, the average energy of these carriers is.
KT = 1.4 x 10 x 29.3 ergs = 26 millivolts (electron volts where K is the Boltzman constant and T the absolute temperature
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> the .. ':> <..., "...... -: .s'" ".... -' 1 Il The above tests bring a sputieii of astonishing magnitude to This theory. Even the highest recorded collector interval voltage, 40 millivolts, is well in the range of KT - 26 millivolts. In reality, hushed operation can be expected when. Vcg / KT / e is between 0.1 and 1.5, where Vcg is the collector interval voltage and e is the electronic charge of the carrier.
It is the crowding of carriers, so described, that seems to be more responsible for the noise and its particular spectrum rather than just the mere conception that carriers are released at random.
(2) A low voltage drop is maintained, although sufficient between the emitter and the collector to overcome the thermal energy of the carriers and thus disadvantage the return diffusion of the carriers, from the collector to the emitter.
(3) Due to the low collector gap voltage, however, the voltage gains are small, sometimes only on the order of two or three. However, despite these relatively low gains, excellent signal-to-noise ratios are obtained.
(4) The emitter gap voltages are low enough, less than 500 millivolts, to keep the emitter noise low enough to prevent the emitter from becoming a major source of noise after the in-
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the collector has been hushed by an extremely low or even zero voltage drop at this time.
The tests have furthermore shown that the polarization of a transistor with a view to minimum noise, -, does not usually coincide.
'tally not with its polarization for maximum voltage or power gain. With relatively high collector interval voltages, the gain au. minimum noise may be only 1/10 to 1/2 times the maximum gain. On the other hand, with low collector gap voltages, when the silencing of the transistor is most. efficient, the minimum noise gain and the maximum gain are less different from each other. They may even be identical, that is, at low collector gap voltage, a transistor biased for minimum noise may be found to be biased for maximum gain.
Although the drawings represent transistors
As P-N-P operates with an emitter to earth circuit, the present invention is also applicable to any other type of transistor or configuration either with emitter to earth, base to earth or collector to earth.
Likewise, while the drawings show resistor and capacitor coupled transistor stages, the present invention can be applied to any other form of coupling including transformer coupling, the. inductor coupling, direct current coupling., etc. The bias circuits set forth in the drawings do not impose any limitation on the present invention, as any form of base or emitter bias can be applied.
Since most transistors rendered
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mufflers (hushed) operate at voltages substantially less than one volt and with moderate to low plate load resistance, the usual 1.4 volt electromotive force of an ordinary dry battery is often found to be too high for operation. successfully from a silent transistor (hushed).
The supply voltage is often reduced by means of suitable voltage dividers which are supplied by a single standard dry cell or special batteries of very low electromotive force which can be designed to power silent transistors (hushed ),
On the other hand, it is often found desirable to use larger bias supply voltages than load circuit supply voltages, since a relatively large bias resistance tends less. reducing the effective input impedance of the transistor to a low bias resistor which supplies bias current to the emitting gap from a low bias voltage source.
The description of the test results and the voltages and voltage drops in the drawings, are based entirely on a small germanium junction transistor. The values will vary greatly with larger or smaller transistors, and also whether they are junction or contact type transistors. In addition, other materials, such as silicon instead of germanium, will cause additional changes to the polarization conditions for minimum noise. However, the basic principle of the present invention of drastically reducing the collector gap voltage for the purpose of noise reduction and sacrificing gain is not
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ra not achieved by these changes.
CLAIMS.-
1.- Transistor having an emitter gap and a collector gap, in which the voltage drop across the collector gap is essentially zero.
2.- Transistor having an emitter interval and a collector interval, in which, essentially, the voltage drop across the collector interval, in milli-volts, is of the same order as the thermal energy of the carriers bound in the collector interval, expressed in electron-millivolts.
3. - Transistor having an emitter interval and a collector interval, in which the voltage drop across the interval, collector, expressed in millivolts, is less than five times the average thermal energy of the carriers linked in the interval, collector , expressed in 'electron-millivolts.
4.- Transistor having an emitter gap and a collector gap, in which the voltage drop across the collector gap is less than three times the average thermal energy of the bound carriers / in the collector gap, expressed in electron-millivolts.
5 * - Transistor having an emitter interval and a collector interval, in which the voltage drop across the collector interval is less than twice the average thermal energy of the carriers bound in the interval the collector, expressed in electron-millivolts .
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