第六章 : 場效電晶體 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 1

§ 6-1 引言 BJT 與 FET 主要差異： FET 主要特性： § 6-1 引言 場效電晶體(FET) 與 雙極性接面電晶體(BJT) 類似，且皆為一種 三端子裝置。 BJT 與 FET 主要差異： •BJT 為 電流控制裝置 ( IC =βIB )；FET 為 電壓控制裝置 (ID 為VGS 函數 )。 •BJT 分為 npn 及 pnp；FET 分為 n-通道 與 p-通道。 •BJT 是一種 雙極性裝置 (導電電流由兩種電荷載子構成:電子與電洞)；FET 為單極性裝置 (n -通道 ,僅由電子傳導電流)。 FET 主要特性： •具 高輸入阻抗，1MΩ~幾百MΩ。 •FET 典型交流電壓增益 遠較 BJT 小。 •FET 之 溫度穩定性 比 BJT 良好。 •結構體積較小。 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 2

§ 6-1 引言 本章介紹 三種型式 的 FET： • 接面場效電晶體 JFET–– Junction Field-Effect Transistor • 金屬氧化物半導體場效電晶體 MOSFET –– Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 又分為：空乏型 D-MOSFET –– Depletion MOSFET 增強型 E-MOSFET –– Enchancement MOSFE • 金屬半導體場效電晶體 MESFET –– Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 3

§ 6-2 JFET 之結構與特性 n-通道 JFET 基本結構： • JFET 有 二種 類型 -- n-通道 及 p-通道 歐姆接觸 汲極 源極 閘極 n-通道 空乏區 註：空乏區 為缺乏自由載子的區域，無法導通電流。 n-通道 JFET 基本結構： • JFET 有 二種 類型 -- n-通道 及 p-通道 其中以 n-通道 更廣泛被使用。 • JFET 具有 三個 端子 – 汲極(drain;D) 與 源極(source;S) 被連接在 n-通道 兩端。 閘極(gate;G)將兩側 p型材料連 接在一起。 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 4

§ 6-2 JFET 之結構與特性 JFET 的基本操作： JFET 控制機構 可比作 水龍頭之控制。 源 極 汲 極 閘 極 •水壓的來源可比喻為由汲極至源 極的外加電壓，它將會引起由龍 頭(源極)產生的水流(電子)。 •“閘極”經由一外加信號(電壓)， 控制水流(電荷)至“汲極”。 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 5

§ 6-2 JFET 之結構與特性 JFET 的操作特性： •具有 三個 基本操作狀態 --- A.VGS = 0V，VDS 為某一正值。 B.VGS < 0V，VDS 為某一正值。 C. 壓控電阻器。 A. VGS = 0V，VDS 為某一正值 1. VGS = 0V，G 與 S 同電位 →下端空乏區 與 無偏壓狀況 同 2. VDD (=VDS )加入，電子將被吸向 D →建立ID →因電荷流動路徑 ID =IS 3. 空乏區在兩個p-型材料頂端較寬 (原因:設n-通道為均勻電阻,由二極體 操作知逆向偏壓愈大,空乏區愈寬) 4. 當VDS 增加且近VP 電壓時，空乏區將會擴大 →通道寬度明顯減少 →電阻增加 空乏區 n-通道 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 6

§ 6-2 JFET 之結構與特性 5. 若VDS 增加至兩空乏區“接觸”程度 ，即產生 夾止 (pinch-off)，且此時 VDS 稱為 夾止電壓 VP 或VGS ( off ) 6. 夾止區後，ID =IDSS 維持一 飽和值 (因仍存在很小的通道，且具非常 高的電流密度) n-通道電阻(R定值) 由於通道變窄所增加的電阻 飽和值 (R≒∞) 7.當VDS 增加超過VP 時，兩空乏區間 緊密接觸區域將順著通道長度增加 ，但 ID 不變，VDS 由外加負載決定 註：IDSS 是 JFET 之 最大汲極電流， 定義條件:VGS =0V 及VDS >∣VP∣ Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 7

§ 6-2 JFET 之結構與特性 B. VGS < 0V，VDS 為某一正值 1. JFET 可用 不同的VGS 建立 不同的ID 3. “ 截止”(turned off) -- VGS = VP 可建立 ID = 0 mA之飽和值時 稱之 ( n-通道--- VP < 0；p-通道--- VP > 0 ) Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 8

§ 6-2 JFET 之結構與特性 C. 壓控電阻器 1. 夾止曲線左邊區域 稱為 歐姆 或 壓控電阻 區 夾止值之軌跡 飽和(定電流、線性放大) 區 歐姆區 在 截止↓ C. 壓控電阻器 1. 夾止曲線左邊區域 稱為 歐姆 或 壓控電阻 區 2. 此區 JFET 可做為 可變電阻器 3. 汲-源極電阻 ，其中 r0 為VGS = 0V 時之電阻。 ps: VGS 愈負 → 每條曲線斜率愈水平 → R↑ ex: r0=10kΩ(VP = -6V)於VGS= -3V→ rd=40kΩ Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 9

§ 6-2 JFET 之結構與特性 p-通道 裝置： • 類似 n-通道裝置，但 p-及n-型材料互 換、I方向相反、VGG 與VDD 極性相反 • VDS <0，VGS >0且 愈正 → 通道 愈窄 → ID 減少 VGS=VP=+6V IDSS 崩潰區 • 曲線垂直上升 表 崩潰 已發生 ，且流經 通道之電流 僅由 外 界電路 所限制。 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 10

§ 6-2 JFET 之結構與特性 符號： • 箭頭 表 當 p-n 接面 順向偏壓 時 電流IG 流動的方向。 n-通道 p-通道 11 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 11

§ 6-2 JFET 之結構與特性 摘要： 發生 最大電流 截止 12 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 12

§ 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 公式說明： • ID 與 VGS 間關係 定義為 蕭克萊(Shockley’s)方程式— § 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 公式說明： • ID 與 VGS 間關係 定義為 蕭克萊(Shockley’s)方程式— • 轉移曲線 可由 輸出特性曲線 或 蕭克萊方程式 求得 ↑ 定值 控制變數 ↘ ← 非線性關係 輸出特性曲線 求 轉移曲線 1. VGS = 0V時, ID = IDSS 2. VGS = Vp 時, ID = 0mA ① ② ← 非等距(非線性) ↓ 非 線 性 Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 13

§ 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 蕭克萊方程式之應用 ( 蕭克萊方程式 求 轉移曲線 )： § 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 蕭克萊方程式之應用 ( 蕭克萊方程式 求 轉移曲線 )： 由 規格表 知 IDSS 與 VP ，再直接由 蕭克萊方程式 利用 下列三步驟 求得-- 當 VGS = 0V 時， 解得 ID = IDSS Step 1 當 ID = 0A 時， 解得 VGS = Vp (VGS(off)) Step 2 當 VGS = 0V to Vp 時， 解得 Step 3 VGS = ½ Vp → ID = ¼ IDSS ID = ½ IDSS → VGS ≅ 0.3 Vp Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 14

§ 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 例題 6.1：若 IDSS =12mA 與 VP = -6V，畫出轉移曲線。 解：蕭克萊方程式 § 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 例題 6.1：若 IDSS =12mA 與 VP = -6V，畫出轉移曲線。 解：蕭克萊方程式 ①VGS = 0V → ID = IDSS = 12mA ②ID = 0mA → VGS = Vp = -6V ③VGS = ½ Vp = ½ (-6V) = -3V → ID = ¼ IDSS = ¼ (12mA)= 3mA ④ID = ½ IDSS = ½ (12mA) = 6mA → VGS ≅ 0.3Vp = 0.3(-6V) = -1.8V 將①~④點繪製曲線→右圖轉移曲線 ① ② ③ ④ Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 15

§ 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 例題 6.2：若 IDSS =4mA 與 VP = 3V，畫出 p-通道裝置 之轉移曲線。 § 6-3 轉移 (輸出入間關係) 特性曲線 例題 6.2：若 IDSS =4mA 與 VP = 3V，畫出 p-通道裝置 之轉移曲線。 解：蕭克萊方程式 ①VGS = 0V → ID = IDSS = 4mA ②ID = 0mA → VGS = Vp = 3V ③VGS = ½ Vp = ½ (3V) = 1.5V → ID = ¼ IDSS = ¼ (4mA)= 1mA ④ID = ½ IDSS = ½ (4mA) = 2mA → VGS ≅ 0.3Vp = 0.3(3V) = 0.9V 將①~④點繪製曲線→右圖轉移曲線 ① ② ③ ④ Boylestad and Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 16