Федеральное агентство связи

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

А.Н. Игнатов

Полевые транзисторы

И их применение

В технике связи

Монография

Новосибирск

2008

УДК 621.382.323

Профессор А.Н.Игнатов. Полевые транзисторы и их применение в технике связи: Монография/ СибГУТИ. – Новосибирск, 2008г.- 319с.

В монографии рассматриваются типы, характеристики и свойства полевых транзисторов (ПТ).

Уточняется теория ПТ, работающих в режимах управляемого сопротивления, усиления, с прямыми токами затвора и подложки, а также, в предложенном автором, - комбинированном режиме. Рассматриваются технические решения электронных устройств для телекоммуникационных и информационных систем.

Для инженерно-технических работников, студентов и аспирантов электронного и радиотехнического профилей.

Кафедра технической электроники СибГУТИ

Иллюстраций - 189, таблиц - 29, список литературы – 30 наименований

Рецензенты: дтн, проф. Х.К.Арипов (ТУИТ),

дтн, проф. В.А. Мартынов, доцент А.В. Макаров (ИГЭУ)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве монографии

 Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2008 г.

Предисловие

Среди отраслей, определяющих научно-технический прогресс, важное место занимает электроника. Основными изделиями электронной техники являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы (ИС). Перспективными изделиями являются полевые транзисторы (ПТ) и ИС на их основе. По совокупности технико-экономических показателей ПТ превосходят другие известные активные элементы: биполярные транзисторы и электронные лампы. Полевые транзисторы являются основными элементами ИС с высокой степенью интеграции элементов, значительно опережая биполярные транзисторы. Именно благодаря ПТ стало возможным создание микро и нановаттных микросхем. Полевые транзисторы также весьма перспективны для силовой электроники. Здесь они успешно конкурируют с силовыми биполярными транзисторами и тиристорами. Наблюдается тенденция использования комбинаций полевых и биполярных транзисторов и создания новых комбинированных приборов с использованием полевых структур.

С 2003 года в нашей стране активно развивается новое направление наноэлектроника. Ведущие вузы России начали подготовку специалистов по специальности нанотехнология в электронике. Перспективными изделиями наноэлектроники являются наноразмерные полевые транзисторы. Такие транзисторы являются основой ИС ультравысокой (УБИС) и гигантской (ГИС) степеней интеграции. Они являются основными элементами однокристальных систем (СНК), поэтому в настоящей книге уделено значительное внимание рассмотрению наноэлектронных полевых транзисторов.

Основу книги составляют результаты исследований свойств и применений отечественных полевых транзисторов, выполненных автором.

Монография рассчитана на инженерно-технических работников, студентов и аспирантов, связанных с проектированием и эксплуатацией электронной аппаратуры, выполненной на элементной базе.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 7

1.1. Классификация ПТ 7

1.2. Терминология и обозначения в системе параметров ПТ 7

1.3. Типы, характеристики и свойства ПТ 8

1.3.1. Общие сведения 8

1.3.2. Типы полевых транзисторов 9

1.3.3. Статические характеристики 10

1.3.4. Механизмы пробоя ПТ 14

1.3.5. Радиационная стойкость ПТ 15

1.3.6. Светочувствительность ПТ 16

1.3.7. Влияние температуры на характеристики ПТ 17

1.4. Модели ПТ и анализ эквивалентных схем ПТ 19

1.4.1. Общие сведения 19

1.4.2. Параметры ПТ на низких частотах 22

1.4.3. Параметры ПТ на высоких частотах 22

1.5. Основные режимы работы ПТ 26

1.6. Способы аппроксимации характеристик передачи ПТ 27

1.7. Особенности технологии и технико-экономические 30

показатели производства ПТ 30

1.8. Перспективные области использования ПТ 32

в технике связи 32

1.8.1. Общие сведения 32

1.8.2. Использование ПТ в качестве управляемых сопротивлений 32

1.8.3. Использование ПТ в ключевом режиме 33

1.8.4. Использование ПТ в режиме усиления 33

1.8.5. Использование ПТ в режиме с прямыми токами затвора 34

1.8.6. Использование ПТ в режиме пробоя 34

1.8.7. Использование ПТ в оптоэлектронных приборах 35

1.8.8. Использование ПТ в интегральных схемах 36

2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ КАК ЭЛЕМЕНТЫ С 38

РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ 38

2.1. Методы регулировки коэффициента передачи 38

устройств с помощью ПТ 38

2.2. Регулировка коэффициента передачи изменением 40

крутизны полевого транзистора в пологой области 40

2.3. Регулировка коэффициента передачи изменением 46

проводимости канала в крутой области 46

2.4. Взаимосвязь параметров полевых транзисторов 54

2.5. Диапазон регулирования крутизны проводимости ПТ 55

2.6. Синтез регулировочных характеристик ПТ работающих 57

в пологой области характеристик 57

2.7. Синтез регулировочных характеристик ПТ работающих 59

в крутой области характеристик 59

2.8. Способы улучшения качественных показателей 60

регуляторов усиления на ПТ 60

2.9. Методика расчета и исследование регуляторов 63

усиления на ПТ 63

2.10. Динамические характеристики регуляторов на ПТ 76

2.11. Практические схемы и особенности расчета устройств 78

техники связи с ПТ в качестве регулируемых элементов 78

2.11.1. Применение ПТ в схемах регуляторов усиления 78

радиоприемных устройств 78

2.11.2 .Применение ПТ в регуляторах тембра 82

2.11.3. Портативный приемник с высокоэффективной АРУ на ПТ 84

2.11.4. Экспандер на полевом транзисторе 91

2.11.5. Расчет авторегулятора уровня на ПТ 93

2.11.6. Усилитель с электронной регулировкой коэффициента 97

передачи с помощью ПТ 97

2.11.7. Автогенератор с ЧМ на ПТ 98

2.11.8. Диапазонный генератор с АМ, широкополосный ЧМ и 106

электронной перестройкой частоты 106

3. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПТ В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ 111

3.1. Особенности работы ПТ в ключевых схемах 111

аналоговых сигналов 111

3.2. Особенности работы ПТ в ключевых схемах 114

дискретных сигналов 114

3.3. Параметры в ключевом режиме 117

3.4. Принципы построения ключевых схем на ПТ 118

и особенности их расчета 118

3.5. Схемы управления ключами на ПТ 122

З.6. Показатели качества ключей на ПТ 125

3.7. Сравнение ключевых свойств полупроводниковых 127

элементов 127

3.8. Практические схемы устройств техники связи 131

с ПТ в ключевом режиме 131

3.8.1. Применение ключевых схем на ПТ в коммутаторах 131

радиовещательных сигналов 131

3.8.3. Коммутатор на ПТ для системы передачи телеметрической 144

информации 144

3.8.4. Некоторые применения ключевого режима работы ПТ 146

в устройствах связи 146

3.8.5. Применение ПТ в устройстве автоматического контроля 152

параметров радиовещательного тракта и автоматического 152

перехода на резерв 152

4. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ПТ 160

В РЕЖИМЕ УСИЛЕНИЯ 160

4.1. Анализ нелинейных свойств ПТ 160

4.2. Оценка нелинейности характеристик передачи 166

отечественных ПТ 166

4.3. Источники шумов ПТ 171

4.4. Определение шумовых параметров ПТ 175

4.5. Сравнение активных компонентов по уровню 179

собственных шумов 179

4.6. Оптимизация параметров усилительных каскадов на ПТ 186

4.7. Практические схемы устройств техники связи 193

с ПТ в режиме усиления 193

4.7.1. Применение ПТ в усилителях с высоким 193

входным сопротивлением 193

4.7.2. Применение ПТ в малошумящих усилителях 197

4.7.3. Применение ПТ в активных фильтрах 202

5. СВОЙСТВА И ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПТ 211

В РЕЖИМЕ С ПРЯМЫМИ ТОКАМИ ЗАТВОРА 211

5.1. Особенности работы ПТ в режиме с прямыми 211

токами затвора 211

5.2. Теория затворного детектора 214

5.3. Методика расчета затворного детектора 220

5.4. Анализ свойств ПТ в комбинированном режиме 222

5.5. Методика расчета каскада с ПТ в комбинированном 231

режиме 231

5.6. Способы использования ПТ в комбинированном режиме 232

5.7. Практические схемы устройств техники связи с ПТ 234

в режиме с прямыми токами затвора 234

5.7.1. Преобразователи длительности импульсов на ПТ 234

5.7.2. Электронное реле времени пригодное 237

для интегрального исполнения 237

5.7.3. Устройство селективного вызова 239

5.7.4. Приемник многочастотного селективного вызова 240

5.7.5. Устройство контроля нескольких параметров по двум проводам 246

5.7.6. Вольтметры с ПТ в режиме с прямыми токами затвора 246

6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 251

6.1. Мощные полевые транзисторы 251

6.2 Транзисторы со статической индукцией 252

6.3. Мощные МДП-транзисторы с вертикальными каналами 259

6.4. Гибридные силовые транзисторы 267

6.5. Применение силовых полевых транзисторов 276

6.6.1. Применение мощных МДП-транзисторов в импульсных 278

источниках питания 278

6.6.2. Усилители мощности на силовых транзисторах 279

7. НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 281

7.1. Введение 281

7.2. Нанотранзисторы на основе структур хранения 284

на сапфире 284

7.3. Нанотранзисторы с гетеропереходами 290

7.4. Нанотранзисторы с резонансным туннелированием 295

7.5. Нанотранзисторы на основе нанотрубок 297

7.5. Нанотранзисторы на основе нанотрубок 297

7.6. Параметры отечественных полевых транзисторов 294

Приложение. Основные справочные данные отечественных полевых транзисторов. 296