場(chǎng)效應(yīng)管特性與應(yīng)用詳解

    場(chǎng)效應(yīng)管控制工作電流的原理與普通晶體管完全不一樣，要比普通晶體管簡(jiǎn)單得多，場(chǎng)效應(yīng)管只是單純地利用外加的輸入信號(hào)以改變半導(dǎo)體的電阻，實(shí)際上是改變工作電流流通的通道大小，而晶體管是利用加在發(fā)射結(jié)上的信號(hào)電壓以改變流經(jīng)發(fā)射結(jié)的結(jié)電流，還包括少數(shù)載流子渡越基區(qū)后進(jìn)入集電區(qū)等極為復(fù)雜的作用過(guò)程。場(chǎng)效應(yīng)管的獨(dú)特而簡(jiǎn)單的作用原理賦予了場(chǎng)效應(yīng)管許多優(yōu)良的性能，它向使用者散發(fā)出誘人的光輝。

一、場(chǎng)效應(yīng)管的特性

    場(chǎng)效應(yīng)管與普通晶體管相比具有輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。它是一種壓控器件，有與電子管相似的傳輸特性，因而在高保真音響設(shè)備和集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)有以下一些。

高輸入阻抗容易驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗隨頻率的變化比較小。輸入結(jié)電容小(反饋電容)，輸出端負(fù)載的變化對(duì)輸入端影響小，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)，電源利用率高。

場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲是非常低的，噪聲系數(shù)可以做到1dB以下，現(xiàn)在大部分的場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)為0.5dB左右，這是一般晶體管和電子管難以達(dá)到的。

場(chǎng)效應(yīng)管具有更好的熱穩(wěn)定性和較大的動(dòng)態(tài)范圍。

場(chǎng)效應(yīng)管的輸出為輸入的2次冪函數(shù)，失真度低于晶體管，比膽管略大一些。場(chǎng)效應(yīng)管的失真多為偶次諧波失真，聽(tīng)感好，高中低頻能量分配適當(dāng)，聲音有密度感，低頻潛得較深，音場(chǎng)較穩(wěn)，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現(xiàn)，具有良好的聲場(chǎng)空間描繪能力，對(duì)音樂(lè)細(xì)節(jié)有很好表現(xiàn)。

普通晶體管在工作時(shí)，由于輸入端(發(fā)射結(jié))加的是正向偏壓，因此輸入電阻是很低的，場(chǎng)效應(yīng)管的輸入端(柵極與源極之間)工作時(shí)可以施加負(fù)偏壓即反向偏壓，也可以加正向偏壓，因此增加了電路設(shè)計(jì)的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓時(shí)，它的輸入電阻更高，高達(dá)100MΩ以上，場(chǎng)效應(yīng)管的這一特性彌補(bǔ)了普通晶體管及電子管在某些方面應(yīng)用的不足。

場(chǎng)效應(yīng)管的防輻射能力比普通晶體管提高10倍左右。

轉(zhuǎn)換速率快，高頻特性好。

場(chǎng)效應(yīng)管的電壓與電流特性曲線與五極電子管輸出特性曲線十分相似。

    場(chǎng)效應(yīng)管的品種較多，大體上可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管兩類(lèi)，且都有N型溝道(電流通道)和P型溝道兩種，每種又有增強(qiáng)型和耗盡型共四類(lèi)。

    絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管又稱金屬(M)氧化物(O)半導(dǎo)體(S)場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可分為一般MOS管和VMOS管兩種，每種又有N型溝道和P型溝道兩種、增強(qiáng)型和耗盡型四類(lèi)。

    VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場(chǎng)效應(yīng)管，是在一般MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型高效功率開(kāi)關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高(大于100MΩ)、驅(qū)動(dòng)電流小(0.1uA左右)，還具有耐壓高(最高1200V)、工作電流大(1.5～100A)、輸出功率高(1～250W)、跨導(dǎo)線性好、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)良特性。目前已在高速開(kāi)關(guān)、電壓放大(電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍)、射頻功放、開(kāi)關(guān)電源和逆變器等電路中得到了廣泛應(yīng)用。由于它兼有電子管和晶體管的優(yōu)點(diǎn)，用它制作的高保真音頻功放，音質(zhì)溫暖甜潤(rùn)而又不失力度，備受愛(ài)樂(lè)人士青睞，因而在音響領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。VMOS管和一般MOS管一樣，也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增強(qiáng)型和耗盡型四類(lèi)，分類(lèi)特征與一般的MOS管相同。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管還有以下特點(diǎn)。

輸入阻抗高。由于柵源之間是SiO2層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。

驅(qū)動(dòng)電流小。由于輸入阻抗高，VMOS管是一種壓控器件，一般有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所需的驅(qū)動(dòng)電流極小。

跨導(dǎo)的線性較好。具有較大的線性放大區(qū)域，與電子管的傳輸特性十分相似。較好的線性就意味著有較低的失真，尤其是具有負(fù)的電流溫度系數(shù)(即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導(dǎo)通電流會(huì)隨管溫升高而減小)，故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現(xiàn)象。因此，VMOS管的并聯(lián)得到了廣泛的應(yīng)用。

結(jié)電容無(wú)變?nèi)菪?yīng)。VMOS管的結(jié)電容不隨結(jié)電壓而變化，無(wú)一般晶體管結(jié)電容的變?nèi)菪?yīng)，可避免由變?nèi)菪?yīng)招致的失真。

頻率特性好。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)屬于漂移運(yùn)動(dòng)，且漂移距離僅1～1.5um，不受晶體管那樣的少數(shù)載流子基區(qū)過(guò)渡時(shí)間限制，故功率增益隨頻率變化極小，頻率特性好。

開(kāi)關(guān)速度快。由于沒(méi)有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)延遲時(shí)間，VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度快，可在20ns內(nèi)開(kāi)啟或關(guān)斷幾十A 電流。

二、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)及選用

    為了正確安全運(yùn)用場(chǎng)效應(yīng)管，防止靜電、誤操作或儲(chǔ)存不當(dāng)而損壞場(chǎng)效應(yīng)管，必須對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)有所了解和掌握。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)多達(dá)幾十種，現(xiàn)將主要參數(shù)及含義列于表1，作為參考。

表1 場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)及含義

符號(hào)名稱含義

BVGSS柵源耐壓柵源之間的SiO2層很薄，耐壓一般只有30～40V

BVDSS源漏耐壓VGS=0，源漏反向漏電流達(dá)10uA時(shí)的VDS值

VP夾斷電壓在源極接地情況下，為使漏源電流輸出為零時(shí)的柵源電壓

VT開(kāi)啟電壓當(dāng)IDS達(dá)到1mA時(shí)，柵源之間的電壓

IGss漏泄電流柵一溝道結(jié)施加反向電壓下的反向電流，結(jié)型管為nA級(jí)，MOS管為pA級(jí)

IDss 飽和漏源電流 零偏壓VGS=0時(shí)的漏電流

RGS輸入電阻柵源絕緣電阻，柵一溝道在反偏壓下的電阻，結(jié)型管為100M Ω，MOS管為10000MΩ以上

RDS輸出電阻漏極特性曲線斜率的導(dǎo)數(shù)，即1/RDS=△ID/△VDS

gm 跨導(dǎo)表示柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力

IDs源漏電流 

PD耗散功率 

NF噪聲系數(shù)噪聲是管子內(nèi)載流子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，場(chǎng)效應(yīng)管要比晶體管小得多，NF愈小表示管子噪聲愈小

CGS柵源電容輸入電容，越小越好，減小失真，有利頻率特性提高

CDS 漏源電容輸出電容，越小越好，減小失真，有利頻率特性提高

CGD柵漏電容反饋電容，越小越好，減小失真，有利頻率特性提高    場(chǎng)效應(yīng)管的選用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

場(chǎng)效應(yīng)管的ID的參數(shù)按電路要求選取，能滿足功耗要求并略有余量即可，不要認(rèn)為越大越好，ID越大，CGS也越大，對(duì)電路的高頻響應(yīng)及失真不利，如ID為2A的管子，CGS約為80pF；ID為10A的管子，CGS約為1000pF。使用的可靠性可通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)來(lái)保證。選用VMOS管的源漏極耐壓BVDSS不要過(guò)高，能達(dá)到要求即可。因?yàn)锽VDSS大的管子飽和壓降也大，會(huì)影響效率。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管則要盡可能高些，因?yàn)樗麄儽緛?lái)就不高，一般BVDSS為30～50V，BVGSS為20V。

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