本篇是「學習使用電晶體」的最後一篇,在這篇裡面經介紹FET的種類、結構及使用但願能充實您對FET的認識。
FET(Field-Effect Transistor)或稱電場效應電晶體,顧名思義就是受電場控制的電晶體,有很多人說FET很像真空管,主要是因為FET和真空管一樣是受電場操作的元件,同樣具有高輸入阻抗,但不管怎麼說,FET畢竟還是半導體,必須遵守半導體的規則,而且FET的高輸入阻抗(10¹ºΩ),甚至比真空管的輸入阻抗(10¹ºΩ)還高出1000被,在使用上得非常小心,否則一個穿著尼龍衣服的女孩子走進FET時,可能她身上所帶的靜電就會將FET破壞(原文沒有提到FET對男士的反應)。
由於FET的高輸入阻抗特性,使得在設計電路時根本不必考慮輸入電流的問題,而且FET的導電為單一載子(不是電子就是電洞),因此比普通雙載子電晶體有梗快的反應速度和高頻特性,雖然這一切的優點皆使FET很像真空管,但畢竟是半導體的東西,免不了對溫度敏感。
圖四十八是FET的結構圖,看起來像一顆PNP型的電晶體,不過PNP電晶體是橫著導電,而FET是豎著導電,中間的N型半導體是主要的導電部分,上面是洩極(DRAIN),底下是源極(SOURCE),兩旁的P型半導體被連在一起作為閘極(GATE)。在N通道FET中,電流是由洩極流向源極的,而在P通道FET中則悉相反。在圖中由於P-N間皆為逆向偏壓,所以P-N間不導電,因此具有很高的阻抗;也因為是逆向偏壓的原故,使得P-N接面的空泛區變寬而深入N通道中,使得N通道的有效寬度變窄而限制了洩極電流。看圖四十九,在Millman書上的圖能有助於理解這一個事實,在圖中空泛區越往洩極越寬是因為越靠近洩極逆向偏壓越大的原故(因洩極是最高電位),因此我們只要控制閘極的電壓強度就能改變通道的有效寬度進而影響洩極電流。
圖五十繪出了FET的洩極特性,這就好像是電晶體的集極特性一樣。第一條線是Vg=0時(S極接地),此時有最大的ID,此時的電流以IDSS來表示(Vgs=0), 第二條線是Vg=-1時的ID,因為D-S間是逆向偏壓,所以用負號表示;第三條是Vg=-2時......以此類推。從這個洩極特性圖,可以看出ID的變化與Vg呈線性關係,Vg每增加1V,ID就增加2mA,而且在VDS大於5V的範圍,ID幾乎完全不受電壓的影響,利用FET的這個特性,很容易做一個恆流源。而利用其Vg-ID的線性關係也很容易做一個放大器。
圖五十一、圖五十二、圖五十三分別繪出了FET三種放大器: 第一種共源極放大器,有如電晶體的共射極放大器一樣,具有很高的電壓增益,其電壓增益為:A=(gmϒd.RL)/(ϒd+RL)。
gm和ϒd是FET的兩個參數,因為ϒd的值通常很大,大約在1MΩ以上,所以分母的RL就可以略去,整個共源極放大器的增益變成了: A=gmxRL。
注意C1和Rs或形成一個低頻的轉折點,其頻率大約為1/(2πRsC1)。
第二種稱為洩極放大器或源極隨耦器,就像電晶體的共集極放大器或射極隨耦器一樣,其電壓增益為A=u/(u+1)=1,和電晶體射極隨耦器一樣,也具有低輸出阻抗的特性。
第三種是共閘極放大器,由於很少採用就不做介紹。
請注意這三個圖中Rs的存在,Rs是不能省去的,在FET的直流偏壓中,Vgs必須是負擔(逆向偏壓)才行。Rs的存在,確保S極的電壓比G極為高,這樣G-S間才能形成逆偏。而RG在理論上是沒有限制的,只要比FET的輸入阻抗低許多即可。由於RG沒有電流流過,所以閘極的電極視為和地一樣。
在最後的單元裡,我們來談一談MOSFET,MOSFET三個字是Metel Oxide Semiconductor的縮寫,圖五十四是它的結構圖這是空泛型(DEPLETION)的結構,最上面的是閘極,由一塊金屬鋁構成,接下來二氧化矽的絕緣層,底下是N型通道,四周則是P型的基底(SUBSTRATE)。這種結構的好處在於閘級與通道間完全絕緣,不論閘極所加的電壓為何,中間的二氧化膜層確保與通道的隔離。圖五十五是空泛型MOSFET的特性圖,可知Vg也可以為正了,不像前面的接面型FET,Vg若為正便會形成正偏而破壞了閘極與通道的絕緣度。
圖五十六所示為增強型MOSFET的結構(ENHANCEMENT),與空泛型不同的是中間被P型的基底隔開了,這樣一來使得源極和洩極在閘極無偏壓時是不導通的。圖五十七繪出了增強型MOSFET的特性,從這可知當Vg=0時,ID=0;Vg愈高,ID也愈大;這種特性使得MOSFET用在功率管時不需要逆向偏壓來控制靜電電流。
圖五十八則為這兩種MOSFET的符號,圖五十九(註:原文未附圖五十九)是由MOSFET組成的三種放大器線路,大致和FET是一樣的,只不過第一種共源極放大器時,由於不必Vgs<0,所以省去了Rs,如此一來使共源極放大器能有更大的電壓增益。
FET的推出的確是音響界的一大好消息,尤其是高功率的FET的發展,使得諾大機的設計進入另一新的領域:第一,它不需要大電流去驅動它,FET是一種電壓控制的元件所以可以省掉激勵級;第二,FET沒有熱跑脫的問題,可以省去熱補償的設計;第三,FET為單載子元件,反應速度快,對高頻的響應比雙載子電晶體好。
雖然FET、MOSFET的種類有很多,但是真正用於功率放大的,似乎只有增強型的MOSFET,像2SK134、2SJ49就是典型的例子。原因不外乎是因為接面型FET和空泛型的FET在Vg=0時都有不算小的電流,為了要減低靜態電流,往往必須將偏壓電路的極性倒轉。
FET或MOSFET雖然好處多多,但也不是沒有缺點的,現今的MOSFET所能處理的電流和功率都趕不上電晶體,2SK134、2SJ49只是7A的東西而已,比起隨便一顆RET的12A似乎還差了一截;而且MOSFET的價錢昂貴,約在電晶體的兩倍以上。再來就是輸入電容的問題,2SK134、2SJ49有600pf~1000pf的輸入電容,要克服輸入電容得到高的SR,驅動MOSFET的元件仍需通以大電流才行,但這些都是不難克服的問題。也許隔些日子,音技也會推出一MOSFET的擴大機以饗同好。
「學習使用電晶體」一文到這裡全部結束,半年來從半導體、電子電洞,一直介紹到MOSFET大致涵蓋了音響範圍所使用的主動元件。當然音響的主動元件還有OP,OP的使用,音技早期的文章有詳盡的介紹,如果您能了解電晶體,懂得運用OP,那麼在類比電路方面大致是沒什麼問題。但是搞類比線路可以說大部分的技術來自經驗的累積,譬如說接地吧!我相信有很多人不曉得。再譬如電晶體的選用吧!特性表上刊的是一回事,買到手的電晶體又是另外一回事。不管怎麼說,多動手是最重要的,當您完全熟悉如何運用二極體、電晶體、SCR後,再去玩uP,這才是正途。我不太贊成完全不懂類比的人去搞數位,那樣在技術上是很難突破的,目前最時髦的商品,多半類比和數位混合運用,唯熟悉兩者的特性才能截長補短,設計出優秀的線路。
轉載音響技術第95期NOV. 1983 學習使用電晶體/⑥FET的結構及運用/李孟育
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