第8章 場效電晶體 8-1 JFET 之構造及特性 8-2 JFET 之特性曲線 8-3 JFET 之直流偏壓 第8章　場效電晶體 …………………………………………………………… 8-1 JFET 之構造及特性 8-2 JFET 之特性曲線 8-3 JFET 之直流偏壓 8-4 MOSFET 之構造及特性 8-5 MOSFET 之特性曲線 8-6 MOSFET 之直流偏壓

8-1　JFET 之構造及特性 ………………………………………………………………………….… 1. N通道JFET的結構與符號 節目錄

(2) 符號：P型閘極N通道（閘極箭頭方向朝內）。 結構：其通道材料為N型半導體，兩端各以歐姆接觸方式接出源極與汲極，中間部分則以擴散方式做成一環狀的P型區而形成閘極。 源極（S）：是多數載子流入通道的端點。汲極（D）：是多數載子流出通道的端點。 閘極（G）：於N通道兩側。 (2) 符號：P型閘極N通道（閘極箭頭方向朝內）。 節目錄

2. P通道JFET的結構與符號 (1) 結構：其通道材料為P型半導體，而以 N型物質擴散成一環狀閘極。 (2) 符號： N型閘極P通道（閘極箭頭方向 朝外）。　　　 節目錄

3. 基本動作原理 (1) 改變逆向偏壓 的大小，將可以改變空乏 區的寬度，進而控制有效通道之截面積， 以控制電流 的大小。 節目錄

(2) FET是屬於電壓控制型元件，用數學式表示 。 (3) 在閘、源極兩端的逆向偏壓為　 ，閘、汲極間的逆向偏壓為 ，因此沿著汲極至源極方向P-N接面所承受的逆向偏壓並不相等， 以致其空乏區寬度也不相等。 節目錄

8-2　JFET 之特性曲線 ………………………………………………………………………….… 1. 歐姆區 節目錄

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(3) 同時受三極（D、S、G）影響，故此區又稱 為三極體區。 (4) 歐姆區又稱為電阻區，在此區工作時，FET可 當可變電阻器使用。 當 （或　 ）從0開始增加時　 ， 會依比例而增加。 在A至B區間，通道電阻是定值。 　 和　的關係符合歐姆定律。 (1) 曲線之形成 (2) 公式：　 (3) 同時受三極（D、S、G）影響，故此區又稱 為三極體區。 (4) 歐姆區又稱為電阻區，在此區工作時，FET可 當可變電阻器使用。 節目錄

(1) 在B～C點間， 逐漸增加，但閘、汲極 間的逆向偏壓 所形成的空乏區大到足 以抵銷 之增加量而使 維持定值。 (2) 各區條件 2. 夾止區 (1) 在B～C點間，　 逐漸增加，但閘、汲極 間的逆向偏壓 所形成的空乏區大到足 　 以抵銷 之增加量而使 維持定值。 (2) 各區條件 通道夾止區條件為 邊界條件為 歐姆區條件為 (3) 公式： 節目錄

(4) 圖8-7中，在N通道時，若 向負值增 加，會使通道夾止的 降低；在P通道 時，若 向正值增加，也會使通道夾止 的 降低。 時，若 　 向正值增加，也會使通道夾止 的 　 降低。 節目錄

(2) JFET的工作點必選擇低於崩潰點而且常在 定電流區。 3. 崩潰區 (1) C 點為崩潰點，當　 值超過 C 點後， 值　 　　 會隨　 的增加而快速地增加。 (2) JFET的工作點必選擇低於崩潰點而且常在 定電流區。 節目錄

定義：在某一定值的 電壓下， 對 的 關係以坐標軸描繪出來。 與 確定後，經由肖克力方程式演算得 到。 (3) 轉換特性曲線為拋物線。 4. JFET的轉換特性 定義：在某一定值的　 電壓下， 對　 的　　關係以坐標軸描繪出來。 與 確定後，經由肖克力方程式演算得 到。　　 (3) 轉換特性曲線為拋物線。 節目錄

5. P通道JFET的基本工作情形 節目錄

　　 (1) 其 VGS 與 VDS 極性和 N 通道完全相反，在 電路中是採用－VDD 及 +VGG。 (2) VP 為正電壓，整個曲線幾乎就是 N-JFET 鏡 子的左右對照而已。 (3) 夾止區的條件為 VSD > VSG + VP。 節目錄

8-3 JFET 之直流偏壓 1. 正確的公式使用法 (1) JFET的靜態工作點應選擇在夾止區內，才能使 輸出獲得正、負半週最佳振幅。 ………………………………………………………………………….… 1. 正確的公式使用法 (1) JFET的靜態工作點應選擇在夾止區內，才能使 　　 輸出獲得正、負半週最佳振幅。 (2) 應避免工作點進入歐姆區或截止區，否則將產　 　　 生波形失真。 (3) 公式使用法 先假設JFET工作在夾止區內，即 可先應用〔公式8-2〕 再判斷是否確定工作在夾止區內。 判斷：　　　　　是否成立。 若判斷與假設不吻合，則改用歐 姆區〔公式8-1〕 節目錄

2. 固定偏壓 　 為直流負載線，解聯 立方程式計算Q點 (1) 公式 (2) 缺點：須自備第二組電壓源。 節目錄

3. 自給偏壓 　　為直流負載線，解下列聯 立方程式計算Q點，注意增根Q ' (1) 公式 節目錄

4. 分壓偏壓 (2) 有電流串聯負回授的功能，可以增進電路的 穩定度。 (3) 考慮到交流放大倍數時，可於 兩端並接一個 (2) 有電流串聯負回授的功能，可以增進電路的 　　 穩定度。 (3) 考慮到交流放大倍數時，可於　 兩端並接一個 旁路電容器以防止負回授。 4. 分壓偏壓 節目錄

公式 、 、 的選擇必須使 ， 解下列聯立方程式，並注意增根。 節目錄

5. 各種偏壓方式穩定度之比較 節目錄

(1) 固定偏壓方式之直流負載線是垂直線，斜 率無限大，所以固定偏壓產生的不穩定誤 差最嚴重。 (2) 分壓偏壓方式之直流負載線不通過原點， (1) 固定偏壓方式之直流負載線是垂直線，斜 　 率無限大，所以固定偏壓產生的不穩定誤 差最嚴重。 (2) 分壓偏壓方式之直流負載線不通過原點， 斜率最小，所以分壓偏壓產生的不穩定誤 差最輕微。 (3) 自給偏壓之直流負載線通過原點，斜率及 穩定度均介於兩者之間。 節目錄

8-4 MOSFET 之構造及特性 1. N通道空乏型MOSFET的結構與符號 ………………………………………………………………………….… 節目錄

於低摻雜量的P型基體內擴散成兩 個高雜量之 區域，分別當作源 、汲極。 (1) 結構 上層覆蓋二氧化矽（ ）層。 個高雜量之 　 區域，分別當作源 、汲極。 上層覆蓋二氧化矽（　 ）層。 閘極未加偏壓時，本身已有通道。 (1) 結構 中間的垂直線代表通道。 P型基體：箭頭朝內。 N型通道：源極的箭頭朝外。 其符號是模仿NPN。 (2) 符號 節目錄

(1) 結構：N型基體為製造MOSFET元件的基礎層 ，整個元件是製作在一塊基體上的。 (2) 符號 N型基體：箭頭朝外。 2. P通道空乏型MOSFET的結構與符號 (1) 結構：N型基體為製造MOSFET元件的基礎層 ，整個元件是製作在一塊基體上的。 (2) 符號 N型基體：箭頭朝外。 P型通道：源極的箭頭朝內。 其符號是模仿PNP。 節目錄

3. N通道空乏型MOSFET之基本動作原理 (1) ，適當的加入 電壓，則產生 有效的電流（此與JFET相同）。 (1) ，適當的加入　 電壓，則產生 　有效的電流（此與JFET相同）。 (2) ，通道感應正電荷，並減少通 　道多數載子，使得汲極電流減少（空 　乏模式）。 (3) ，通道感應負電荷，並增加通 　道的載子，使得汲極電流增加（增強 模式）。 節目錄

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4. N通道增強型MOSFET的結構與符號 增強型MOSFET的結構與空乏型 MOSFET非常類似。 (1) 結構 汲、源極間沒有實質的通道。 (1) 結構 P型基體（箭頭朝內）、 N型通 道（源極箭頭朝外）。 中間的垂直虛線表示無通道存在。 (2) 符號 節目錄

5. P通道增強型MOSFET的結構與符號 與空乏型MOSFET類似。 汲、源極間沒有實質的通道。 (1) 結構 N型基體（箭頭朝外）、 P型通道 （源極箭頭朝內）。 中間的垂直虛線表示無通道存在。 (1) 結構 (2) 符號 節目錄

6. 基本動作原理 (1) N通道增強型MOSFET 當 時，MOSFET處於截止狀態。 當 時，在閘極下方形成一個空乏區。 操作情形 當 時，在閘極下方形成一個空乏區。 當　　　（　稱為臨界電壓）時，電子就 被引進入這一空乏區，汲、源極間有了N 型通道，產生電流。 操作情形 節目錄

(2) P通道增強型 MOSFET  直流工作點與N通道相反。  臨界電壓 Vth 為負值。 節目錄

7. 互補式MOSFET 節目錄

(1) 互補式金氧半場效電晶體（CMOS）是將Ｐ 型金氧半（PMOS）和N型金氧半（NMOS） 這兩種增強型的電晶體聯接成一個互補式 　　 的金氧半裝置。 若　為正，則 PMOS OFF，NMOS ON， 。 若 ，則 PMOS ON，NMOS OFF， 。 完成反相器的動作。 (2) 工作原理 節目錄

操作速率比雙極性電晶體慢 （如高頻響應不佳）。 優點 (3)優、缺點 輸入阻抗極高，有很高的扇出數。 抵補偏移電壓=0，是極優秀的訊 號截波器。 熱穩定性佳。 雜訊低。 製作簡易，在積體形式下所占體 積少。 可當作雙向對稱的類比開關。 增益與頻帶寬度之乘積遠小於 一般電晶體。 操作速率比雙極性電晶體慢 （如高頻響應不佳）。 優點 缺點 節目錄

8-5 MOSFET 之特性曲線 1. N通道空乏型 MOSFET之 轉換特性曲線及汲極特性曲線 (1) 電壓可為負，亦可為正。 ………………………………………………………………………….… 1. N通道空乏型 MOSFET之 轉換特性曲線及汲極特性曲線 (1) 電壓可為負，亦可為正。 (2) 改變 　 電壓大小可以改變通道的傳導 性，所以MOSFET為電壓控制的裝置。 (3) 汲極電流 與汲、源極間的飽和電流與 JFET相同，呈現肖克力方程式的關係。 節目錄

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作原理相似，只是其電壓、電流方向相反而已。 乏型有何不同之處。 P 通道空乏型MOSFET的 轉換特性曲線 及汲極特性曲線 (1) P通道空乏型MOSFET與N通道空乏型MOSFET的工　　 作原理相似，只是其電壓、電流方向相反而已。 (2) 應特別注意空乏模式與增強模式之操作和N通道空 乏型有何不同之處。 (3) 操作方式 節目錄

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3. N通道增強型 MOSFET之 特性曲線及 轉換特性曲線 當 很小，且 及 時 ，所感應之反轉層通道幾乎是等寬，如 同一半導體電阻。 當　 很小，且 及 時 ，所感應之反轉層通道幾乎是等寬，如 同一半導體電阻。 電流方程式 式中K之典型數值約為0.3m A/V2。 同時受三極（ D、G、S）影響，所 以又稱為三極體區或電壓控制電阻區。 (1) 歐姆區 節目錄

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(3) 轉換曲線的抛物線方程式和JFET及空乏型 MOSFET不同，因為曲線在水平軸上是從 開始而非 ，且不會和垂直軸相交。 (2) 夾止區 (定電流 區或飽 和區) 當　 繼續增加達邊界條件時， 維持不變，僅與　 有關，而 與　 無關。 邊界條件 電流方程式為 　 值與增強型MOSFET的轉換 特性無關。 (3) 轉換曲線的抛物線方程式和JFET及空乏型 MOSFET不同，因為曲線在水平軸上是從 開始而非 ，且不會和垂直軸相交。 節目錄

4. P通道增強型MOSFET之轉換特性曲線及汲極 特性曲線 (1) 增強型MOSFET本身沒有預製通道。 (2) 閘、源極間加負壓（即　　 ）始能產生通道。 (3) 閘、源極間加正壓（即　　 ）或不加電壓 　 （　　　）均無法產生通道，而使MOSFET呈 截止狀態。 節目錄

(4) 將VDS(負壓)轉換成VSD(正壓)，其判別式為：  歐姆區條件  邊界條件  通道夾止條件  電流方程式 節目錄

8-6　MOSFET 之直流偏壓 ………………………………………………………………………….… 1. 空乏型MOSFET之直流偏壓 節目錄

(2) 分壓偏壓方式對空乏型MOSFET的偏壓設計 最重要，藉由 的改變就可使 電壓為正 、為負或為零。 (1) 閘、源極電壓　 可以接正電壓、負電壓或 　　為零。 (2) 分壓偏壓方式對空乏型MOSFET的偏壓設計 最重要，藉由　 的改變就可使 電壓為正　 　　、為負或為零。 (3) 公式 若　　 （　值較小），則　 為正， 工作於增強模式。 若 （ 值較大），則 為負， 工作於空乏模式。 若 ，則工作於零偏壓。 (4) 選擇 節目錄

2. 增強型MOSFET之直流偏壓 (1) 汲極回授偏壓 節目錄

 增強型MOSFET的閘、源極電壓 值必 須大於臨界電壓值 ，才能感應通道， 以產生汲極電流。 上式中 ，為直流負載線，  公式 　 須大於臨界電壓值 ，才能感應通道， 　 以產生汲極電流。 上式中 ，為直流負載線， 解聯立方程式並注意增根  公式 節目錄

(2) 分壓偏壓 節目錄

公式 式中 為直流負載線，解 聯立方程式 節目錄