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传声器专用场效应管的阻抗变换作用扬声器与传声器凹圈囿080,囿响彻60,晌响文章编号:100286842005)06-0028-i4传声器专用场效应管的阻抗变换作用张鸿升(新乡市半导体厂,河南新乡457001)?技术探讨?【摘要】分析了三洋电子公司生产的2sk一596型驻极体传声器专用场效应管的特性,叙述了它在驻极体传声器中起的阻抗变换作用.介绍了三洋电子公司和台湾友旺公司产品的电参数和生产工艺,并澄清了以往一些模糊认识.【关键词】驻极体;极头;fet阻抗变换;正向箝位;沟道电阻【中图分类号ltb52【文献标识码lb1引言20世纪80年代,三洋电子把改型后的2sk596型驻极体传声器专用场效应管推向中国市场,在国内引起模仿这种产品的热潮.从芯片的内部结构设计到具体生产工艺,以及包封后的外形,甚至连打印的字体都要求和2sk596模仿得一模一样.并且把该产品当作一种标准对待.可是仿造者对其外加的电阻器的作用和基本原理并不感兴趣,只是盲目,机械地模仿它.在2sk596的使用说明书中,又十分显着地标示出它的输入阻抗r.m的典型值为25mq.模仿者不过问它是否符合应用电路的基本原理和实际测得的数值,反而误认为外加这个电阻器就是专门为了降低它的输入阻抗而设计的新型结构产品.由此造成了模仿生产和应用过程中的一些混乱现象.甚至造成人力物力的巨大浪费,直接影响到产品质量的提高.在这种情况下,对三洋电子和台湾友旺公司生产的2种不同结构的产品的电参数进行全面测试,解剖测绘其结构尺寸,并对它们进行单项模拟试验.最终得出同原来截然不同的结论.2传声器专用场效应管结构的改动驻极体电容传声器(话筒)专用结型场效应晶体管(以下简称为专用管)是为这类传声器而设计的一种简单的组合器件.在生产专用管,包括仿造2sk596时,应该对其结构和原理以及主要电参数有全面深入的了解.专用管是在原有结型场效应晶体管(fet)的基础上发展起来的一种新产品.早期的专用管只是在fet的栅源之间外加一个抗阻塞作用的正向箝位二极管d1.因此专用管的主要电参数与普通fet的电参数截然不同,因为fet要求测试它的饱和漏电流,并且囵田皇!苎查由确定放大器的工作点.而专用管是要求测试它的工作电流,ds,并要求,ds所决定的沟道电阻陋同实际应用电路中的负载电阻进行匹配.在测试专用管的,ds时,出现了从未见过的”反常”现象,这种反常现象同专用管的电参数测试用的电路有直接关系,把普通fet放在此电路中,也发现同测试专用管的有同样的现象.生产专用管除了必须外加一只正向箝位二极管d1之外,生产工艺仍采用原来生产fet的旧工艺.在工艺设计上,只考虑如何提高它的源极到漏极间的击穿电压(bv璐),所以选用了电阻率比较高的p型衬底材料.由此生产出来的管子,在漏极处将会产生更多的少数载流子(空穴),由于受其漏极到栅极所加的反向偏压作用,被注入到栅极处.所以在栅极处集聚了更多的空穴,因而使栅极电位升高.当栅极电位升高后,相对源极而言,构成了正栅压,即v>0v.专用管中的fet是属于n沟耗尽型管,不仅具有负栅压被夹断的性质,而且还存在有栅压被开启的特性.每当存在一定的正栅压之后,它的工作电流肯定会大于它零栅压(vgs=ov)时的饱和漏电流,即,喳>.在通常状态下,任何品种的fet都是如此.通过某种型号fet已设计出的wondon软件,估算出每产生2.24v的正栅压,方能使得它的,d6大于将近la左右.反过来,如果能测出2个电流之差,同样也可估算出构成的正栅压的数值.这也是专用管固有的一个特性.假若在专用管的生产工艺中存在一些不合理的情况,如顶栅硼扩散浓度达不到p区的实际要求,必然会造成漏到栅极之间的反向截止漏电流增大,尤其是对于这种漏泄电流,在没有采取一定的补偿办法或者是欠补偿时,也能使栅极电位逐渐升高,因此栅,源电压随之往正栅压转变.特别是在外界环境温度变化的作用下,以及自然存放时间加长,使得栅,源正栅压升高到一定程度之后,这时的要比通常注入空穴所形成的正栅压还高,所以这种滞后变大更为严重,不仅改变了原来的工作点,还会使其它一些主要电参数也跟着改变.如专用管的等效输出电压增益g等效输出噪声电压等都会随之变化,超出规范值,甚至变成失效产品.对于普通fet来讲,由于根本不需测它的,ds,只要测就行,也就不存在关注,ds的滞后变化问题了.而对专用管的工作电流滞后变化就显得特别重要了.专用管主要参数(,g,v)测试是在特种专用电路中进行,同测试的原理完全不一样.由于测试电路的输入回路中外加有15pf的输入电容c,这时专用管的栅极相当于直流开路状态,好似栅极被悬空一样,再加上专用管的输入阻抗i通常都在10q以上,因此在测试电路中的输入回路的电荷时间常数=c,数值比较大,因为在生产专用管时,要求其顶栅为p区,其硼扩散的表面浓度比较高,另外也是为了能防止漏泄电流偏大,而影响到的滞后变化.这样一来,顶栅区形成更多的空穴,并且同n型沟道中的现有电子数量之间产生一定的不平衡状态.而这种不平衡又必须通过输入回路充放电进行复合,才能达到最终平衡.在此充放电过程中,栅极电位也随着发生变化,所以输出端的电流也会改变.这个变化过程完全由值的大小决定.实际上在测时必须要经过时间之后才能稳定在固定值上.对于发生的这种现象有的把它叫做”不稳定”,也有些人称为”漂移”,还有的说”爬坡”等等.总之对于专用管,只有在这种专用测试电路中,才会表现出这种特殊现象.尤其在大批量生产专用管和生产传声器时,要求测试的速度特别快,往往产生测试误差大的串档以及误判等问题,严重影响测试效率.为了能解决测专用管,ds反应速度慢的问题,曾经改变过工艺,即调整顶栅硼扩散表面浓度,基本上也能使顶栅中的空穴数量同n型沟道中的电子数量达到平衡.虽然能使测试的速度提高,但是又会使得和之差变得更大.相反,当把顶栅表面浓度再提高一些,也能把原来已形成的正栅压,降低到接近零栅压(vcs=o)使得一了,可是再测其时,就变得更“不稳定”,测时的速度更慢了.上述这两种矛盾很难通过生产工艺统一解决.所以三洋电子公司在不改凹固囿囿响固嗍6响响扬声嚣与传声嚣变原有生产工艺的条件下,采取在其栅源极间又外加一个电阻器的办法,既能让测试速度变快,又能使,达到两者兼顾的目的.实际上此法纯属于外电路解决方案,只不过是把外电路应加的电阻器直接放入专用管的芯片内部,这就是2sk596的一大特点.在解决这种问题时,还有另外一种新的结构设计.虽然跟外加电阻器的结构原理和生产工艺完全不同,但是能起到与加电阻器完全相同的作用.它的生产工艺非常简单,也能同生产fet的工艺兼容,由此认定这种新结构要比三洋电子加电阻器方案更为先进,但毕竟还没脱离开日本式的这类简单组合件构形式,同欧美全集成电路形式相比,仍然存在选用和应用时的不稳定等问题.3传声器专用场效应管的输入阻抗在三洋电子公司经过改型后的2sk596产品介绍说明书中,明显标示出它的输入阻抗典型值为25mq(2.5x10q).可是实际测得的直流阻抗值为10q以上,这个数值要比原来国产管的输入阻抗(10q左右)降低了将近1个数量级,综合上述2种情况,在仿造2sk596过程中,才造成对专用管的输入阻抗的一些错误理解和认识.有些人主观认定2sk596就是为了降低输入阻抗而设计出的新产品,而实际上,应用于传声器中的专用管,主要是起阻抗变换作用.其中就是利用它的高输入阻抗特性,并且同传声器中的极头(相当10pf左右的电容器)的容抗进行匹配.既然如此为什么偏偏要特意去降低它呢?通过对2sk596电参数测试并解剖测绘其结构尺寸,全面分析之后,证实了2sk596的输入阻抗应该是外加电阻器的另外一种副产物.通过大批量生产专用管才能发现它的输入阻抗不仅由它的结构设计决定,而且还同采用的生产工艺密切相关,由于结型fet的输入阻抗相当高,专用管的芯片面积又比较小,因此漏到栅间的pn结反向截止漏电流也非常小,数量级在na以下.在专用管的结构设计改动之后,如外加电阻器,就会改变原来的输入阻抗,三洋电子又是采用特定的生产工艺,因此把输入阻抗锁定在固定范围内.通常专用管在没加电阻前的输入阻抗应该为10q左右,而实际测2sk596的输入阻抗的确为109q左右,因此不能把此值简单理解为外加电阻器的阻值,也就是实测的输入阻抗并不等于外加电阻器的阻值,即r.专用管是一个有源器件,当把它的输入端简化成电阻结构形式,这时再计算它的输入阻抗,已经不再是!苎查墨冒圈扬声嚣与传声嚣凹囿0s囿响彻6响响原来那种几个电阻间并联后所决定的数值结果.加电阻器之后,除了前面讲述的能降低r和栅极电位下拉至源极同电位之外,还存在另外一种”搭桥”作用,只有认识到这些,才能正确理解输入阻抗是怎样改变过来的.在研究分析2sk596加电阻结构之后,又发现了台湾发旺公司新设计的专用管,是在其栅,源极间外加2个串接的”整流接触孔”对这2种完全不同的结构设计进行分析比较,方可发现它们起的作用完全一样.又能证实这2种不同结构设计就是通过”搭桥”作用而改变了原来的输入阻抗.所谓的”搭桥”作用就是把整个芯片最外围的最大pn结的反向截止漏电流重新引入到专用管的栅,源之间来.如果把这个漏电流换算成电阻时,就是实际测出的直流输入阻抗,在低频应用的专用管,就是它的输入阻抗.专用管内部的fet的pn结面积和二极管d1的面积都比整个芯片pn结面积小很多.实测的fet和d1的反向截止漏电流都在104na以下,而整个芯片的反向截止漏电流是10na以下,当把它们都换算成电阻形式,前者为10q,而后者为1(y9q.这时再计算它的输入端的阻抗,也就一目了然了,这也是”搭桥”作用的结果.另外,从生产实践中发现这种”搭桥”是在特定条件下才起作用,如外加电阻器或是加”两孔”其阻值必须小于输入阻抗12个数量级才行.因此三洋电子产品说明中标示的25mq并不是它的输入阻抗,而是外加电阻器的阻值才对.在生产专用管的长期实践中,又发现采用的生产工艺不同,也能给芯片最外围pn结的漏电流带来不同的影响.由于这个漏电流不仅由它的pn结面积决定,并成正比关系,还与pn结两边的杂质浓度大小及构成的浓度梯度有关.pn结的深度也直接影响到pn结有效面积.特别是在处延扩散工艺,注入n阱扩散工艺,全注入工艺所生产出来的管子的输入阻抗,也存在着差异.像注入剂量大小,对n阱驱入的温度和时间等工艺条件不同,也能使输入阻抗不同,”搭桥”部位下的电阻接触好坏都影响输入阻抗值,每当这些条件有所改变时输入阻抗也就随着变化,但还是能够控制的,相比之下,注入n阱扩散法生产出管子的输入阻抗,通常要高于全注入法生产的管子的输入阻抗.在测试专用管的电参数时,其测试电路的输入回路中有一只15pf的输入电容c.,通过容抗计算公式z=l/(2rrfc),计算出它的容抗之后,也能证实专用管的输入阻抗在10810q的范围内,能够确保产品标准圈匝!苎2qq墨中规定的频响特性ag符合具体要求,只有当专用管的输入阻抗降低至l0q时,尤其在低频(70hz)条件下,输入的信号电压分配在输入电容c和输入阻抗上的比例会产生失调,从而影响到输出,使输出电压变低并且同高频(1khz)时输出电压间之差ag将会大于标准规定的i-dbi,被判定为低频跌落.从专用管的频响特性的规定看,三洋电子标示的25mq也是不对的.通过上述对专用管的输入阻抗的全面分析之后,说明了在生产及应用它时,没有必要去降低它的输入阻抗,输入阻抗高的管子它的输入电压增益相比之下也会提高一些,输入阻抗高并不是坏事,而三洋电子全注入工艺管的输出电压增益偏低了.4传声器专用场效应管的输出阻抗专用管的主要阻抗变换作用,除了它的输入端要进行匹配之外,它的输出端的匹配更为重要.因为在早已设计好的固定工作点之后,为了让不同结构设计和生产工艺条件下生产出来的具有不同输出阻抗的管子,同应用电路的负载电阻.达到较好匹配,因此传声器选用专用管过程,也就变得复杂化了,尤其在生产传声器时,改用另外一种型号管子,会带来一定的难度.特别是在具体应用中很难取得最佳的使用效果.在专用管的主要电参数中,虽然已列出它的输出阻抗r瞻,但一般不具备测这个电参数的条件.在生产及应用时,往往被人们忽视.在现有的条件下,只能测出相应的直流参数,其实可通过测试专用管的源和漏极间的沟道电阻晒来代替r璐.早期生产专用管时,只能关注它的工作电流的大小和使用范围;对工作电流进行细分档(a,b,c,d);后来也有的对专用管的跨导()值要求相对集中,以便于提高生产传声器时灵敏度的一致性.可是专用管的工作电流和跨导,又都是以结构设计来决定,既便对同型号产品,这2个参数也是互相矛盾的.如电流小跨导值也低,不可能要求电流小还能保证它的跨导大.当生产高灵敏传声器时,只能选择高跨导的管子.随着生产专用管的经验积累,已经认识到它的输出阻抗必须同实际应用电路的负载电阻尺匹配,但具体应用于传声器时,仍然还存在使用效果欠佳的问题.由此才引发传声器的内部结构的乱改动现象.如在传声器的内部放置10-30pf的微型片式电容,构成一种所谓的模块.现在不管这种做法是否符合电声基本原理,还是不能解决传声器的稳定性问题.由于国内外各种不同型号的专用管的结构设计不同,表现在顶栅条的宽长比w/l各不相同,其跨导(放大倍数)不同.另外,不同公司生产工艺也不一样,这样生产的专用管的输出阻抗,肯定有差异,最近发现有的厂家在生产传声器时,对专用管的输出阻抗值也提出了不同的要求.目前对专用管的沟道电阻有了具体要求.在生产和应用传声器中,随着对专用管的认识的不断提高,生产专用管的厂家和生产以及应用传声器的厂家三者应该很好结合起来,不能只强调单一方面如何改进提高.在国内,长期以来驻极体传声器生产中一直采用13本式的这种简单结构形式的专用管,因此才给选择专用管以及应用带来那么多麻烦,又很难达到较好的使用效果,假若改为像欧美生产的集成电路形式的如max981o,无需去考虑输出阻抗匹配的问题,使用起来简捷,方便,其稳定性,可靠性也大幅度提高.凹囿呔0,囿响60,响响扬声嚣与传声嚣5结束语通过对13本三洋电子公司的加电阻器和台湾友旺公司的加”两孔”的2种完全不同结构设计方案以及各自的生产工艺比较分析,对于专用管的输入阻抗和输出阻抗有了更加深层的认识.三洋电子改型后的2sk596中的jl-;n电阻主要是为了解决测试,ds速度的问题,附带有使,ds,再就是它的”搭桥”作用,从而改变了输入阻抗.另外在2sk596产品介绍中标出它的跨导值为l2o0s,比原来的2sk156的跨导(1800s)降低后更能适应于生产普通(9.3)的传声器需要.2sk596在加电阻器之后的确使输入阻抗由原来的约1on降低到1o9n左右,降了近一个数量级,因而也会使输出电压增益相应变小些.也可认定是在这种结构和生产工艺所形成的一种”负”作用.目前,在生产传声器时,无需过多考虑它的输入阻抗,只需严格要求专用管的输出阻抗值即可.【收稿日期12005-o4-13(上接第27页)表3歌舞厅混响时间频率特性的计算率特性,只能用于粗略的估算;只有对倍频程各中心频率混响时间进行计算,才能设计出理想的混响时顼甚啜声材料125辱o0d率性.艾润公式.是室声场理想扩散要密峦880.05a130.210.730.660.53只是倍频程各中心频率混响时间的平均值,为了准口出的双层未打褶88.a.0.足侑翟台l,毕观