场效应管及其在DX中波发射机中的应用

摘要：文中简单介绍了场效应管和功率MOS管，并通过场效应管在DX中波发射机中实际应用的例子，说明了场效应管，特别是IR功率MOS管在当代大功率中波发射机中的应用。
关键词：功率MOSFET；功率放大

1960年贝尔实验室的Dawon Kahung及JohnAtalla用一个绝缘的电极在P-N接面之间引发一个导电的通道(channel)而来控制晶体中的导电状况。根据这个构想，场效应电晶体(FET)终于在两年后由RCA(美国无线电公司)的Stephen R．Hofstein及Frederick P．Heiman设计出来。其构造是在矽晶片上不同的两个地方引入N型或P型杂质作为源极和漏极，两极之间的晶片上再生长一层二氧化矽的绝缘物，然后在SiO2上镀上一层金属作为栅极。从纵剖面来看，其构造是金属一氧化层一半导体，因此称为MOS电晶体(Metal-Oxide-Semi-conductor transistor )。FET的三个电极分别被称为漏极、栅极和源极，对应双极性三极管的三个电极分别是集电极、基极和发射极。FET有两个主要变种，结型(JFET)和绝缘栅型(又叫MOSFET)。两者针对不同类型的应用做了优化。结型FET被用于小信号处理，通态电阻大，常用于射频工作场合；而MOSFET主要被用于线性放大或开关电源应用，特别是功率MOSFET广泛用于各种驱动及功率放大场合。

1 功率MOSFET及其驱动电路
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称功率MOSFET(Power MOSFET)或功率MOS管。结型功率场效应晶体管一股称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor——SIT)。绝大多数电路设计中使用的都是NMOS FET，如果没有特别说明，完全可以假定功率电路设计中使用的MOSFET全部是N沟道的。
自1976年开发出功率MOSFET以来，由于半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高；如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其通态漏源阻值RDS(on)仅10mΩ；工作频率范围可以从直流到数兆赫兹。
MOSFET以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)，利用电场的效应来控制半导体(S)，FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)的名字也由此而来。然而在DX-600发射机中所大量使用的IR是(International Rectifier公司生产) HEXFET功率MOS管，其栅极却并不是金属做的，而是用多晶硅来做栅极。IR在1978年时是用金属做栅极的，1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。
功率MOSFET导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
功率MOSFET的特别之处在于：包含多个“单元” (cell)的并行结构，相当于具有相同RDS(on)电阻的多个MOSFET并联，其等效电阻为一个MOSFET单元的RDS(on)的1／n。裸片面积越大，其导通电阻就越低，但同时，寄生电容就越大，其开关性能就越差。改进的办法就是最小化基本单元的面积，这样在相同的占位空间中就可以集成更多的单元，从而使RDS(on)下降，并维持电容不变。西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列；IR功率MOSFET的基本结构中，每个MOSFET的原胞是一个六角形(hexan gular)，如图1所示，因而IR常把它称为HEXFET。

功率MOSFET相对于一般的MOS管需要承受较大的电压和电流，所以一般都需要加装专门的散热电路，此外，为提高功率MOSFET的开关速度及降低其功率损耗，对其驱动电路也提出了特殊的要求：
(1)触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；
(2)开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度，尽可能降低开关所造成的损耗；同时由于MOSFET管具有极高的输入阻抗，为了避免电路的正反馈引起振荡，驱动源的阻抗也必须很低，最好的办法就是用变压器做驱动电路；
(3)为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压。为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压；(4)栅极电压的最大值一般为20～30V。为了防止门极电压超过其额定的最大值(目前通常是20V)，需要在栅极接上齐纳稳压管，比如在DX发射机功率模块中所用的P6KE20CA稳压块。
(5)尽量减少与MOSFET管各管脚连接的连线长度，特别是栅极引线的长度。如果实在无法减少其长度，可以用一个小磁环或者小电阻与MOSFET管串连起来，这两个元件要尽量靠近管子的栅极，可以起到消除寄生振荡的作用。

2 场效应管在DX-600中波发射机中的应用
2．1 结型场效应管在射频源板晶振电路中的应用
将JFET用于实际的放大电路中，就可以设计出无源元件很少的简单高频LC振荡器。比如DX-600中波发射机射频源板上实际所用的4倍载波晶振电路(如图2所示)，就是典型的结型场效应管构成的晶振电路。