Shotnoise

Schrotrauschen ist eine Form des Rauschens, das immer dann auftritt, wenn ein elektrischer Strom eine Potentialbarriere überwinden muss.

Das Schrotrauschen rührt daher, dass sich der Gesamtstromfluss aus der Bewegung einzelner Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) zusammensetzt, und jeder Ladungsträger für sich diese Barriere überquert. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein statistischer Prozess. In der Summe sind auch auf makroskopischer Ebene gewisse Schwankungen des Stromflusses zu beobachten.

Das gemittelte Rauschstromquadrat lässt sich durch die Gleichung

$\overline{i^2_{Rausch}} = 2 e I \Delta f$

ausdrücken, wobei e die Elementarladung, I der im Leiter fließende Strom und Δf die Bandbreite der Messung sind. Die Dimension des mittleren Rauschstromquadrates ist daher [A²].

Wie man sieht, hängt die Größe des Schrotrauschens also von der Größe des fließenden Stromes ab und zeigt keine direkte Temperaturabhängigkeit. Sie ist dadurch vom Rauschen im thermischen Gleichgewicht, dem Johnson-Nyquist-Rauschen, zu unterscheiden. Das Rauschstromquadrat des Stromes in einem Frequenzband Δf ist für technische Frequenzen unabhängig von der Frequenz und proportional zur Breite des Frequenzbandes. Erst ab Frequenzen, deren Periode so kurz wie etwa die Transitzeit ist, fällt der Schroteffekt mit 1/f² ab.

Schrotrauschen ist in der Elektronik, in der Nachrichtentechnik und in der grundlegenden Physik wichtig, da es als Rauschnormal zur Messung des Rauschens elektronischer Bauteile verwendet werden kann. Verwendet werden dazu Halbleiterdioden mit Lawinendurchbruch. Diese Rauschnormale werden an einem vorgegebenen Wellenwiderstand Z angepasst und mit einer Kalibrationstabelle geliefert, welche die Rauschleistungsdichte als Funktion des Diodenstromes angibt. Diese Rauschquelle wird dann dem zu messenden Vierpol vorgeschaltet. Damit kann die Rauschzahl und Rauschtemperatur des Vierpols bestimmt werden.

Literatur

• Rudolf Müller, Rauschen, Springer Verlag 1990, ISBN 3-540-51145-8
• Walter Schottky: Über spontane Stromschwankungen in verschiedenen Elektrizitätsleitern. In: Annalen der Physik, Nr.23/Band 57/1918, S. 541-567.
• Walter Schottky, Small-Shot Effect And Flicker Effect. In: Physical Review, Vol. 28, pp. 74-103, 1926

Siehe auch

• Rauschleistung
• 1/f-Rauschen
• Lawinenrauschen

Weblinks

Was ist Rauschen (pdf)