原创 FET的特性与应用电路

电界效应半导体(FET: Field Effect Transistor，以下简称为FET)与电晶体同样拥有古老的歷史，两者最大差异是FET的消费电力比一般电晶体更低，目前FET大多应用在微处理器数位IC/LSI、无线系统的Front-end、Switching电源控制器，以及马达驱动控制器等领域。接着本文要利用模拟分析深入探讨FET的动作特性与应用电路。FET的动作原理
FET与电晶体一样都是属三端子半导体元件，虽然它的外形随着用途有各种形状，不过动作原理却完全相同。如图1所示FET依照内部结构可以分成2大类，分别是Gate Channel之间有二极管的FET，与Gate Channel之间呈绝缘状的FET。

图2是FET电路图常用符号，由图可知常用符号依照内部结构也分成2大类，分别是N型 Channel与P型 Channel；三个端子的名称分别Gate、Source、Drain，虽然FET的动作原理与电晶体不同，不过功能上Gate相当于电晶体的Base，Source相当于电晶体的Emitter，Drain相当于电晶体的Collector(图3)。
　

图1 FET的分类
　

图2 FET电路图常用符号
　

图3 FET的3根端子功能说明
　

图4是外部电压施加于Gate与Source之间时的Drain电流流动特性模拟分析电路图，为了将电压施加于至Drain与Source之间，因此本电路的信号源使用万用电压源VSRC，此外模拟分析用元件使用N Channel Type的MOSFET 2SK3377。

图5是Gate与Source之间的电压VGS( =V1)作-4V ~ +4V变化时，利用DC分析法观察Drain电流ID的变化所获得的结果，根据图5分析结果显示VGS比2.5V更高时，从外部朝FET方向流动的Drain电流会流动，由此可知FET可以利用VGS控制ID，这意味着电晶体是利用Base控制Collector电流，因此它属于电流控制元件；FET则是利用Gate与Source之间的电压控制Drain电流，因此属于电压控制元件。

图5的横轴为Gate与Source之间的电压VGS，纵轴为Drain电流ID，图中的座标曲线表示FET特性极为重要的顺向传达特性。
　

图4 N Channel MOSFET的Drain电流流动特性模拟分析电路
　

图5 图4的VGS - ID特性
　

图6是P Channel MOSFET 2SJ599构成的模拟分析用电路( V2 = -5V)；图7是模拟分析获得的VGS - ID特性，根据图7的分析结果显示VGS若比-2.3V更低时，流出方向的Drain电流会流动，它与上述N Channel MOSFET一样可以用VGS控制ID。

图5若与图7比较时(亦即N型 Channel MOSFET与P型Channel MOSFET)可以发现两者最大差异，是Drain电流流动时的VGS极性与Drain电流的方向不同。
　

图6 P Channel FET的Drain电流流动特性
　

图7 图6的VGS - ID特性
　

图7是利用上述图4模拟分析电路的VGS( = V1)以0.01V的step从0~4V变化，Drain与Source之间的电压VGS( = V2 )，则以0.2V的step从0.2 ~ 5V变化，接着再用DC分析法观察VGS - ID特性获得的结果，根据图7的分析结果显示VGS具有峰值电压，如果VGS未大于2.5V以上时ID就无法流出，而且ID对VGS具有极大的依存性，此外根据座标曲线逐渐缓和现象可以发现VGS与ID、VDS三者，形成比电晶体特性更复杂的互动关系，不过它与电晶体特性一样，如果将动作条件作某种程度的限定，理论上可以简化VGS与ID的关系。
　

图8 图4的VGS - ID特性( VGS = 0.2~5V )
　

图9就是将VGS局限在3 ~ 4V狭窄范围内，VGS固定成5V时获得的ID模拟分析座标图，此时ID的曲线变化几乎呈直线状，这表示VGS与ID成正比例变化，而座标曲线的倾斜亦即比例定数，则称为顺向传达Admittance (或称为相互Conductancegm )。

此处以下式表示:
　

根据式(1)可知的单位是电压除以电流，因此它是Ω的逆数亦即S(Siemens)表示，此外对交流信号而言含有虚数成份，所以也可以用绝对值 || 表示。

以图9为例VGS作1V变化时ID则变化17A，依此计算相当于17S。
　

图9 图4的VGS - ID特性 ( VGS = 3 ~ 4V, ,DS = 5V )
　

图10是将VGS与ID的比例关系单纯化之后FET的顺向传达特性，由图可知VGS一旦超越临界(Threshold)电压Vth，ID便会单纯增加，此时的ID可以用下式表示:
　

图10 FET的VGS - ID特性单纯化结果
　

如图11所示模拟分析的构成要素分别如下:
?电压计
电压计以串联方式设置在Gate与Source之间，它可以量测施加于Gate与Source之间的电压。
?软体
它可以随时读取电压计的量测值计算Vth，同时将倍的数值设定至可程式电流源内，至于Vth与则是制作FET时就已经决定的数值，它不会随着ID与VDS改变可视为一定值。
?可程式电流源
它接受Background动作的软件发佈的指令信号控制电流的流动。N型 Channel与P型 Channel主要差异是可程式电流源的连接方向，若与电晶体比较时FET使用电压计，电晶体则使用电流计，软件编写的计算方法也不相同。
由于FET的Gate内部为电压计，因此Gate并无电流流动，主要原因是电压计的内部阻抗非常高，所以电流几乎无法流动。
上述构成要素依照以下三个步骤反覆动作:
<步骤1>
将电压VGS施加于Gate与Source之间，再用电压计量测VGS。
<步骤2>
利用Background动作的软件读取电压计的量测值，接着从量测值扣除Vth再乘上倍后的设定值设定于可程式电流源内。
<步骤3>
控制可程式电流源，使Drain电流 变成可以被软件设定的值，如此一来:
ID  = ( VGS  - Vth )
基本上以上动作适用于所有型式的FET，这意味着FET应用在任何领域也只能作上述动作。
　

图11 FET的动作特性说明模型
　

FET与电晶体一样有2种动作模式，分别是必需控制可程式电流源的线性模式，与不需控制可程式电流源的Switch模式。

图12是FET以线性模式动作的电路图例；图13是利用DC分析法量测V1 ( = VGS )在3 ~ 5V范围变化时的VGS - ID特性，根据分析结果显示ID几乎与VGS呈比例作直线变化，此时FET内部的可程式电流源充分发挥电流源功能，因此从外部观察Drain与Source之间时，可以看到定电流源正在动作，因此FET若应用在增幅电路时，通常是用该线性模式动作。
　

图12 FET以线性模式动作的电路
　

图13 图12的VGS - ID特性
　

图14是FET以Switch模式动作的电路图例，它与图12最大差异是R1的电阻值；图15是利用DC分析法量测V1 ( = VGS)在3~5V范围变化时的VGS - ID特性。

根据图15的分析结果显示，VGS在3.2V附近 成直线性变化，亦即此时变成线性模式，不过VGS一旦超过3.2V以上，ID几乎与VGS无关反而变成一定值，进入所谓的Switch模式。

变成Switch模式主要原因是电源与Drain之间的电阻R1，换句话说电源与电阻限制ID的最大值，此时从外部观察Drain与Source之间时，两端的阻抗(Impedance)变得非常低，它相当于机械开关的ON状态。

以图15为例，Drain与Source之间的阻抗若与 比较时明显偏低，因此可以发现Drain的电位VD已经成为 ，这也是一般Switching电源与马达驱动电路，通常将FET当作Switch模式使用的原因。
　

图14 FET以Switch模式动作的电路
　

图15 图14的VGS - ID与VGS - VD特性
　

接着要利用模拟分析探讨各类FET的动作特性差异。图16是N Channel接合型JFET(以下简称为JFET)顺向传达特性模拟分析电路图；图17是利用DC分析法量测V1 ( = VGS  )在-3~0V范围变化时的VGS - ID特性。

若与图5的分析结果比较，FET种类除了造成不同之外，ID值本身也不尽相同，不过最大差异是Vth的极性，以图17的N Channel JFET为例，它的Vth -1.3V会变成负极性，由此可知FET会随着Vth的极性出现2种传达特性。
　

图16 N Channel JFET的特性
　

如图18所示在N Channel JFET Vth会变成负极性者称为Depletion特性；Vth会变成负极性者称为Enhancement特性，因此上述图1的Gate与Source之间设有二极体的FET(JFET、MESFET、HEMT)，全部都属于Depletion特性。

至于Gate与Channel之间绝缘的MOSFET，则有Depletion特性的元件与Enhancement特性的元件两大类，不论哪种特性的元件，它的特性资料都会详细记载于技术资料内的座标图。实际上Switching电源与马达驱动电路用功率MOSFET，几乎都是Enhancement Type，虽然FET的种类繁多，不过基本动作却与FET完全相同，因此可以用Vth的差异作简易的分类。
　

图17 图16的VGS - ID特性
　

图18 FET可用Vth分成2种型式
　

FET的结构与电晶体非常类似，同样都是利用N型半导体与P型半导体组合制成，由于PN接合本身就是二极管(Diode)，这意味着FET的内部具有二极管。

如图19所示JFET与MOSFET内部具有二极管，JFET的二极体设在Gate与Channel之间；MOSFET的二极管则设在Drain与Source之间，上述图2 FET电路图常用符号之中，黑色箭头就是表示FET内部二极管的设置位置。

以线性模式驱动FET或是以Switch模式使FET变成ON的场合，通常都会使二极管变成OFF状态。
　

图19 二极管的设置位置差异形成JFET与MOSFET两种FET
　

值得一提的是FET使用上的注意事项，图20是上述图16电路的VGS在-3 ~ +3V范围变化时的VGS - VD特性，由图可知VGS若超越+0.6 ~ +0.7V的话，Gate与Channel之间的二极管呈ON状态，电流会从Gate流向Channel，其结果反而使ID的变化达到极限，换句话说使用JFET时，必需在二极管不会变成ON的范围下，亦即N Channel JFET的VGS必需小于+0.6V ( VGS≤ +0.6V )前提下动作，P Channel JFET的 必需大于-0.6V ( VGS≥ -0.6V )前提下动作。
　

图20 图16的VGS - ID ( VGS = -3 ~ +3V )特性
　  FET的应用电路
a. N Channel MOSFET构成的Switching电路
图21是N型 Channel MOSFET构成的Switching电路，由于该电路使用功率MOSFET，因此它可以应用在Switching电源或是马达驱动等领域。
　

图21 使用N Channel MOSFET的Switching电路
　

图22是将上述图21的输入信号V1设定成0V/5V, 100kHz 方形波，接着再以过渡分析法观察0 ~ 20μs范围时获得的输入电压Vin与输出电压Vout的波形，根据图22测试结果可知Vin =5V时会直接对Gate与Source之间施加Vin，VGS = 5V时FET呈ON状态，FET变成ON使得Drain与Source之间的阻抗极端降低导致Vout 0V，当Vin = 0V时VGS = 0V，FET再度变成OFF状态，此时Vout与电源电压同样都变成50V。

图23是以相同模拟分析条件观察上述图21的输入电压Vin与Drain电流ID波形获得的结果，由图可知0V/5V的输入电压( = VGS )可以使大约5A的Drain电流ON/OFF。
　

图22 图21的输入电压Vin与输出电压Vout波形
　

图23 图21的输入电压Vin与Drain电流ID波形
　

一般而言FET呈ON状态时，流向Drain的电流取决于顺向传达特性。图24是根据2SK3377技术资料记载的特性资料制成的顺向传达特性座标图(纵轴为对数)，由于该电路的VGS = 5V，从图24座标图可知Switch模式动作时，它可以使500A Drain的电流流动；相较之下上述图21的电路则受到电源电压与RL的限制ID只有5A左右。
　

图24 2SK3377的顺向传达特性
　

图25是将负载阻抗RL作各种置换的实例。本电路由NchMOSFET构成，再将负载连接至电源与Drain之间，如此一来就可以使从负载至Drain方向流动的电流作ON/OFF，不过此时为了驱动包含线圈在内的诱导性负载，基于保护FET不会受到诱导起动电力造成的高压电破坏等考量，因此使用Free Wheel Diode。
　

图25 N Channel MOSFET与各种负载的连接应用
　

图26的电路相当于电晶体的Open Collector，所以又称为Open Drain电路，本电路主要特徵不需连接负载可以直接输出Drain。

需注意的是负载的连接通常是设置在比Source更高电位的地方，使它成为朝向吸入方向的Drain电流，至于从负载可以吸入的最大电流IO(max)，则取决于MOSFET的顺向传达特性与VGS的值。
　

图26 WLAN有待解课题
　

b. P Channel MOSFET构成的Switching电路
图27是P Channel MOSFET构成的Switching电路，本电路最大特征是一端的端子只要连接至GND就可以驱动负载，不过此时必需注意输入信号的连接方式，主要原因是FET的Drain电流是由VGS的值决定，因此输入信号源V1连接于Gate与电源(=Source)之间，使电压可以直接施加于Gate与Source之间。
　

图27 使用P Channel MOSFET的Switching电路
　

图28是将输入信号V1设定成0V/5V, 100kHz 方形波，接着再以过渡分析法观察0 ~ 20μs范围时，获得的输入电压Vin与输出电压Vout的波形，根据图28测试结果可知由于输入信号源连接在Gate与电源之间，因此来自GND的电位出现45V/50V的振幅。

Vin  = 5V时VGS会变成-5V，因此FET呈ON状态，Vout的电压几乎与电源电压一样都是50V。Vin  = 50V时VGS变0V，因此FET呈OFF状态，此时Vout的电压几乎与GND电位一样都是0V。
　

图28 图27的输入电压Vin与输出电压Vout波形
　

图29是以相同条件模拟分析上述图27的输入电压Vin与Drain ID电流的波形获得的结果，根据分析结果显示5V振幅(45V/50V)的输入电压，可以使大约5A的Drain电流ON/OFF，此时Drain电流的极性变成负极性，因此变成从FET朝负载流出的方向。
　

图29 图27的输入电压Vin与Drain ID电流的波形
　

FET呈ON状态时它与N Channel MOSFET构成的电路一样，可以朝Drain流动的电流取决于顺向传达特性。图30是2SJ599的顺向传达特性部份摘要。
　

图30 2SJ599的顺向传达特性
　

本电路的FET呈ON状态时会施加5V的VGS电压，根据图30座标图可知它可以使超过-40A以上最大Drain电流流动(虽然图30的座标图并未记载VGS = -5V的资料，不过VGS = -4.5V时ID = -40A，依此推算VGS = -5V时的电流值)。图27电路的Drain电流则受限于电源电压与RL，因此ID变成 -5A。

图31是负载阻抗RL作各种应用变更实例，使用P Channel MOSFET的Switching电路，必需将Drain电流设在吐出方向，电位比Source更低的电源，通常会将负载连接在GND与Drain之间。以上为FET的动作特性与应用电路。
　

图31 P Channel MOSFET与各种负载的连接应用