場效應管及其在DX中波發(fā)射機中的應用

摘要：文中簡單介紹了場效應管和功率MOS管，并通過場效應管在DX中波發(fā)射機中實際應用的例子，說明了場效應管，特別是IR功率MOS管在當代大功率中波發(fā)射機中的應用。
關(guān)鍵詞：功率MOSFET；功率放大

1960年貝爾實驗室的Dawon Kahung及JohnAtalla用一個絕緣的電極在P-N接面之間引發(fā)一個導電的通道(channel)而來控制晶體中的導電狀況。根據(jù)這個構(gòu)想，場效應電晶體(FET)終于在兩年后由RCA(美國無線電公司)的Stephen R．Hofstein及Frederick P．Heiman設計出來。其構(gòu)造是在矽晶片上不同的兩個地方引入N型或P型雜質(zhì)作為源極和漏極，兩極之間的晶片上再生長一層二氧化矽的絕緣物，然后在SiO2上鍍上一層金屬作為柵極。從縱剖面來看，其構(gòu)造是金屬一氧化層一半導體，因此稱為MOS電晶體(Metal-Oxide-Semi-conductor transistor )。FET的三個電極分別被稱為漏極、柵極和源極，對應雙極性三極管的三個電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個主要變種，結(jié)型(JFET)和絕緣柵型(又叫MOSFET)。兩者針對不同類型的應用做了優(yōu)化。結(jié)型FET被用于小信號處理，通態(tài)電阻大，常用于射頻工作場合；而MOSFET主要被用于線性放大或開關(guān)電源應用，特別是功率MOSFET廣泛用于各種驅(qū)動及功率放大場合。

1 功率MOSFET及其驅(qū)動電路
功率場效應晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型，簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)或功率MOS管。結(jié)型功率場效應晶體管一股稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。絕大多數(shù)電路設計中使用的都是NMOS FET，如果沒有特別說明，完全可以假定功率電路設計中使用的MOSFET全部是N溝道的。
自1976年開發(fā)出功率MOSFET以來，由于半導體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷提高；如高壓功率MOSFET其工作電壓可達1000V；低導通電阻MOSFET其通態(tài)漏源阻值RDS(on)僅10mΩ；工作頻率范圍可以從直流到數(shù)兆赫茲。
MOSFET以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)，利用電場的效應來控制半導體(S)，F(xiàn)ET(Field Effect Transistor，場效應晶體管)的名字也由此而來。然而在DX-600發(fā)射機中所大量使用的IR是(International Rectifier公司生產(chǎn)) HEXFET功率MOS管，其柵極卻并不是金屬做的，而是用多晶硅來做柵極。IR在1978年時是用金屬做柵極的，1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一個采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。
功率MOSFET導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。
功率MOSFET的特別之處在于：包含多個“單元” (cell)的并行結(jié)構(gòu)，相當于具有相同RDS(on)電阻的多個MOSFET并聯(lián)，其等效電阻為一個MOSFET單元的RDS(on)的1／n。裸片面積越大，其導通電阻就越低，但同時，寄生電容就越大，其開關(guān)性能就越差。改進的辦法就是最小化基本單元的面積，這樣在相同的占位空間中就可以集成更多的單元，從而使RDS(on)下降，并維持電容不變。西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元；摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列；IR功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)中，每個MOSFET的原胞是一個六角形(hexan gular)，如圖1所示，因而IR常把它稱為HEXFET。

功率MOSFET相對于一般的MOS管需要承受較大的電壓和電流，所以一般都需要加裝專門的散熱電路，此外，為提高功率MOSFET的開關(guān)速度及降低其功率損耗，對其驅(qū)動電路也提出了特殊的要求：
(1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；
(2)開通時以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度，盡可能降低開關(guān)所造成的損耗；同時由于MOSFET管具有極高的輸入阻抗，為了避免電路的正反饋引起振蕩，驅(qū)動源的阻抗也必須很低，最好的辦法就是用變壓器做驅(qū)動電路；
(3)為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓。為了防止誤導通，在其截止時應提供負的柵源電壓；(4)柵極電壓的最大值一般為20～30V。為了防止門極電壓超過其額定的最大值(目前通常是20V)，需要在柵極接上齊納穩(wěn)壓管，比如在DX發(fā)射機功率模塊中所用的P6KE20CA穩(wěn)壓塊。
(5)盡量減少與MOSFET管各管腳連接的連線長度，特別是柵極引線的長度。如果實在無法減少其長度，可以用一個小磁環(huán)或者小電阻與MOSFET管串連起來，這兩個元件要盡量靠近管子的柵極，可以起到消除寄生振蕩的作用。