場效應管特性及應用

場效應管不僅兼有普通電晶體和電子管的優點，而且還具備兩者所缺少的優點。場效應管具有雙向對稱性，即場效應管的源極和漏極是可以互換的(無阻尼)，一般的電晶體是不容易做到這一點的，電子管是根本不可能達到這一點。所謂雙向對稱性，對普通電晶體來說，就是發射極和集電極互換，對電子管來說，就是將陰極和陽極互換。

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場效應管控制工作電流的原理與普通電晶體完全不一樣，要比普通電晶體簡單得多，場效應管只是單純地利用外加的輸入信號以改變半導體的電阻，實際上是改變工作電流流通的通道大小，而電晶體是利用加在發射結上的信號電壓以改變流經發射結的結電流，還包括少數載流子渡越基區後進入集電區等極為複雜的作用過程。場效應管的獨特而簡單的作用原理賦予了場效應管許多優良的性能，它向使用者散發出誘人的光輝。

一、場效應管的特性
場效應管與普通電晶體相比具有輸入阻抗高、噪聲係數小、熱穩定性好、動態範圍大等優點。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備和集成電路中得到了廣泛的應用，其特點有以下一些。

1. 高輸入阻抗容易驅動，輸入阻抗隨頻率的變化比較小。輸入結電容小(反饋電容)，輸出端負載的變化對輸入端影響小，驅動負載能力強，電源利用率高。
2. 場效應管的噪聲是非常低的，噪聲係數可以做到1dB以下，現在大部分的場效應管的噪聲係數為0.5dB左右，這是一般電晶體和電子管難以達到的。
3. 場效應管具有更好的熱穩定性和較大的動態範圍。
4. 場效應管的輸出為輸入的2次冪函數，失真度低於電晶體，比膽管略大一些。場效應管的失真多為偶次諧波失真，聽感好，高中低頻能量分配適當，聲音有密度感，低頻潛得較深，音場較穩，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現，具有良好的聲場空間描繪能力，對音樂細節有很好表現。
5. 普通電晶體在工作時，由於輸入端(發射結)加的是正向偏壓，因此輸入電阻是很低的，場效應管的輸入端(柵極與源極之間)工作時可以施加負偏壓即反向偏壓，也可以加正向偏壓，因此增加了電路設計的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓時，它的輸入電阻更高，高達100MΩ以上，場效應管的這一特性彌補了普通電晶體及電子管在某些方面應用的不足。
6. 場效應管的防輻射能力比普通電晶體提高10倍左右。
7. 轉換速率快，高頻特性好。
8. 場效應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。

場效應管的品種較多，大體上可分為結型場效應管和絕緣柵場效應管兩類，且都有N型溝道(電流通道)和P型溝道兩種，每種又有增強型和耗盡型共四類。
絕緣柵場效應管又稱金屬(M)氧化物(O)半導體(S)場效應管，簡稱MOS管。按其內部結構又可分為一般MOS管和VMOS管兩種，每種又有N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類。
VMOS場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管，是在一般MOS場效應管的基礎上發展起來的新型高效功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高(大於100MΩ)、驅動電流小(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)、跨導線性好、開關速度快等優良特性。目前已在高速開關、電壓放大(電壓放大倍數可達數千倍)、射頻功放、開關電源和逆變器等電路中得到了廣泛應用。由於它兼有電子管和電晶體的優點，用它製作的高保真音頻功放，音質溫暖甜潤而又不失力度，備受愛樂人士青睞，因而在音響領域有著廣闊的應用前景。VMOS管和一般MOS管一樣，也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類，分類特徵與一般的MOS管相同。VMOS場效應管還有以下特點。

1. 輸入阻抗高。由於柵源之間是SiO2層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。
2. 驅動電流小。由於輸入阻抗高，VMOS管是一種壓控器件，一般有電壓就可以驅動，所需的驅動電流極小。
3. 跨導的線性較好。具有較大的線性放大區域，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，尤其是具有負的電流溫度係數(即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導通電流會隨管溫升高而減小)，故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現象。因此，VMOS管的並聯得到了廣泛的應用。
4. 結電容無變容效應。VMOS管的結電容不隨結電壓而變化，無一般電晶體結電容的變容效應，可避免由變容效應招致的失真。
5. 頻率特性好。VMOS場效應管的多數載流子運動屬於漂移運動，且漂移距離僅1～1.5um，不受電晶體那樣的少數載流子基區過渡時間限制，故功率增益隨頻率變化極小，頻率特性好。
6. 開關速度快。由於沒有少數載流子的存儲延遲時間，VMOS場效應管的開關速度快，可在20ns內開啟或關斷幾十A 電流。

二、場效應管的主要參數及選用
為了正確安全運用場效應管，防止靜電、誤操作或儲存不當而損壞場效應管，必須對場效應管主要參數有所了解和掌握。場效應管的參數多達幾十種，現將主要參數及含義列於表1，作為參考。

表1 場效應管主要參數及含義

符號	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10uA時的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的柵源電壓
VT	開啟電壓	當IDS達到1mA時，柵源之間的電壓
IGss	漏洩電流	柵一溝道結施加反向電壓下的反向電流，結型管為nA級，MOS管為pA級
IDss	飽和漏源電流	零偏壓VGS=0時的漏電流
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數，即1/RDS=△ID/△VDS
gm	跨導	表示柵極電壓對漏極電流的控制能力
IDs	源漏電流
PD	耗散功率
NF	噪聲係數	噪聲是管子內載流子不規則運動引起的，場效應管要比電晶體小得多，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

場效應管的選用應注意以下幾點。

1. 場效應管的ID的參數按電路要求選取，能滿足功耗要求並略有餘量即可，不要認為越大越好，ID越大，CGS也越大，對電路的高頻響應及失真不利，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合理的散熱設計來保證。
2. 選用VMOS管的源漏極耐壓BVDSS不要過高，能達到要求即可。因為BVDSS大的管子飽和壓降也大，會影響效率。結型場效應管則要儘可能高些，因為他們本來就不高，一般BVDSS為30～50V，BVGSS為20V。
3. VMOS管的BVGSS儘可能高些，因為VMOS管子柵極很嬌氣，很容易被擊穿，儲存或操作要慎之又慎，防止帶靜電的物體接觸管腳。在儲存中要將引出腳短路，並用金屬盒屏蔽包裝，以防止外來感應電勢將柵極擊穿，尤其要注意不能將管子放入塑料盒子或塑膠袋中。為了防止柵極感應擊穿，在安裝調試中要求一切儀器儀表、電烙鐵、電路板以及人體等都必須具有良好的接地效果，在管子接入電路之前，管子的全部引腳都必須保持短接狀態，焊接完畢後方可把短接材料拆除。
4. 配對管要求用同廠同批號的，這樣參數一致性好。儘量選用孿生配對管，使管子的夾斷電壓和跨導儘可能保持一致，使配對誤差分別小於3％和5％。
5. 儘可能選用音響專用管，這樣更能適合音頻放大電路的要求。
6. 在安裝場效應管時，位置要避免靠近發熱元件。為了防止管子振動，要將管子緊固起來，管腳引線在彎曲時，應當大於根部距離5mm處進行彎曲，以防止彎曲時拆斷管腳或引起漏氣而損壞管子。管子要有良好的散熱條件，必須配置足夠的散熱器，保證管子溫度不超過額定值，確保長期穩定可靠工作。

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