本章目錄 8-1 場效電晶體的種類 8-2 接面場效電晶體(JFET)之構造及特性 8-3 JFET之直流偏壓 8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET) 之構造及特性
本章目錄 8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓
8-1 場效電晶體的種類 P40 場效電晶體(field effect transistor，簡稱FET)。FET的內部載子只有一種(N通道為電子，P通道為電洞)，所以是單極性裝置。FET是電壓控制裝置，用閘極與源極間的電壓VGS來控制通過該裝置的汲極電流ID的大小。 FET可分為兩種型式：(1)接面場效電晶體(junction field effect transistor，簡稱JFET)。(2)金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，簡稱MOSFET)。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P40 8-2-1 JFET的構造
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P41 8-2-2 JFET的基本工作原理
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P42
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P42 8-2-3 JFET的特性 一、歐姆區(電阻區) 當VDS很小時，ID會隨VDS的增加而增加，如圖8-2-5中A點至B點之曲線。在這個區域VDS與ID的關係滿足歐姆定律，所以此區域被稱為歐姆區(Ohmic region)或電阻區。在歐姆區時，由汲極到源極的電阻值 會受VGS 控制，此時JFET具有電壓控制可變電阻器VVR(voltage-controlled variable resistor)的功能。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P43
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P43 二、定電流區(恆流區，夾止區，飽和區) 在VDS增大至圖8-2-5的B點以後，ID維持固定值，不隨 VDS而變，曲線呈水平，B點至C點的區域被稱為定電流區(或 恆流區或夾止區或飽和區)。在定電流區裡，ID只受VGS控制 ，而與VDS無關，如圖8-2-6(b)所示。FET的線性放大電路都 是工作在定電流區 三、崩潰區 當VDS太大，超過圖8-2-5中的C點時，VDS增加時會造成 崩潰(breakdown)現象而使ID快速增加，令JFET損壞。正常使 用的JFET不會工作在崩潰區。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P44 四、夾止電壓VP 在VGS＝0的汲極特性曲線上，當開始保持固定值時，VDS值稱為夾止電壓(pinch-off voltage)以符號VP 表示。例如圖8-2-6(b)中，夾止電壓VP＝＋5V。 五、夾止電流IDSS 在VGS＝0時，當VDS 超過夾止電壓VP後，汲極電流 ID幾乎保持固定不變，此固定電流稱為夾止電流 IDSS。 六、夾止點與逆向偏壓的關係 在圖8-2-5中，當 時，JFET工作於定電流區。在 時，JFET工作在歐姆區。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P44
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P44 七、轉換特性曲線 將定電流區中，VGS與ID的關係以曲線表示者，稱為轉換 特性曲線(transfer characteristic curve)。如圖8-2-7(a)所示。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P45 八、截止電壓與汲極電流的關係 在定電流區的ID近似值可以表示成 九、互導gm 我們可以使用下列公式求得JFET轉換特性曲線上任意 VGS值所對應gm的近似值： gm的單位為S(西門斯，Siemens)或 (姆歐，mho)
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P46
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P47 十、夾止電壓與截止電壓的關係 一般的JFET，VGS(OFF)和VP的大小相同，但是正負號 相反，亦即 例如某N通道JFET的VGS(OFF)＝－5V，則 VP＝－(－5V)＝＋5V。
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P47
8-2 接面場效電晶體(JFET)之構 造及特性 P47
8-3 JFET之直流偏壓 P48 8-3-1 自給偏壓電路
8-3 JFET之直流偏壓 P48 (1)正常工作的JFET是加逆向偏壓，所以沒有閘極電流，因此 (2)電流IS通過RS會產生 但因JFET的IS=ID，所以 (3)閘極對源極之電壓即為JFET之偏壓， 選用適當的RS電阻值，即可獲得所需之偏壓。
8-3 JFET之直流偏壓 P48 (4) (5)
8-3 JFET之直流偏壓 P49
8-3 JFET之直流偏壓 P49
8-3 JFET之直流偏壓 P50
8-3 JFET之直流偏壓 P50
8-3 JFET之直流偏壓 P50
8-3 JFET之直流偏壓 P51 8-3-2 分壓偏壓電路
8-3 JFET之直流偏壓 P51 (1)正常工作的JFET是加逆向偏壓，所以IG＝0，因此 (2)因為JFET的IS＝ID，所以VS＝IS RS可寫成 (3)閘極對源極之電壓為JFET的偏壓， 選用適當的電阻值，使VS＞VG即可獲得逆向偏壓。
8-3 JFET之直流偏壓 P51 (4)因為JFET的 ，所以 (5) (6)
8-3 JFET之直流偏壓 P52
8-3 JFET之直流偏壓 P52
8-3 JFET之直流偏壓 P53
8-3 JFET之直流偏壓 P53
8-3 JFET之直流偏壓 P53
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P54 MOSFET和JFET不同的地方是：JFET的閘極和通道構 成PN接面，而MOSFET的閘極和通道之間用一層絕緣物質 (二氧化矽，SiO2)隔開而互相絕緣。 MOSFET有兩種型式：空乏型(depletion)與增強型 (enhancement)。而每種MOSFET都有N通道與P通道兩種構 造。
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P54 8-4-1 空乏型MOSFET 空乏型MOSFET(depletion MOSFET)，簡稱D-MOSFET。
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P55
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P55 N通道空乏型MOSFET，在定電流區中，汲極電流ID的 近似值可用下式計算：
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P56
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P56 互導gm的近似值則為
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P57
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P57 P通道空乏型MOSFET。在定電流區中，汲極電流ID的近 似值可用下式計算： 互導gm的近似值則為
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P57
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P58
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P58 8-4-2 增強型MOSFET 增強型MOSFET(enhancement MOSFET)，簡稱 E-MOSFET。 N通道增強型MOSFET的結構如圖8-4-8(a)所示。並沒有製作實體的通道。
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P59 當N通道增強型MOSFET如圖8-4-9被加上電壓時，由於 閘極的正電壓會吸引電子往通道區聚集，當閘極所加之正電 壓足夠高(超過臨界電壓)而使二氧化矽層右方的自由電子濃 度高於電洞時，就會在緊臨二氧化矽層的基板生成一個N型 通道(稱為反轉通道，inversion channel)，因而產生。VGS 愈 大則N型通道的寬度愈大，導電性愈強，ID愈大。
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P59
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P59 N通道增強型MOSFET。VGS 必須大於臨界電壓VT (threshold voltage，以VT 或VGS (th)表示)即 才能產生ID。在定電流區中，汲極電流ID的近似值可用下式計算： 互導gm的近似值則可用下式計算：
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P60
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P60
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P60 P通道增強型MOSFET。VGS 必須小於臨界電壓VT (即VGS＜VT＜0V)才能產生ID。在定電流區中，汲極電流ID 的近似值可用下式計算： 互導gm的近似值則可用下式計算：
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P61
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P61
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P61
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P62
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P62
8-4 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之構造及特性 P63
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P63 8-5-1 自給偏壓電路與分壓偏壓電路 當空乏型MOSFET工作在空乏模式時，其工作特性及偏 8-5-1 自給偏壓電路與分壓偏壓電路 當空乏型MOSFET工作在空乏模式時，其工作特性及偏 壓方法都與JFET相同，最常用的偏壓方法為自給偏壓法及分 壓偏壓法。
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P64
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P64 8-5-2 零偏壓電路 由於空乏型MOSFET的閘極與通道互相絕緣，所以既可 8-5-2 零偏壓電路 由於空乏型MOSFET的閘極與通道互相絕緣，所以既可 工作在空乏模式也可以工作在增強模式(即VGS可正可負)， 因此最簡單的偏壓方法就是如圖8-5-3所示之零偏壓電路。 茲分析如下：
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P64
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P65
8-5 空乏型MOSFET之直流偏壓 P65
P66 8-6-1 固定偏壓電路 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 增強型MOSFET必須閘極-源極電壓VGS大於臨界電壓VT ，才能建立感應通道而產生汲極電流ID，所以不可以使用自 給偏壓法或零偏壓電路。 8-6-1 固定偏壓電路
P66 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 (1) VGS必須大於VT，電路才能工作。 (2) (3) (1) VGS必須大於VT，電路才能工作。 (2) (3) (4)註：由於每一個增強型MOSFET的參數(K與VT)都不 同，固定偏壓法的VGS是固定值，所以會因參數之 差異而使ID及VDS 改變(即工作點會改變)，是穩定性 最差的偏壓方法。
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P67
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P67
P67 8-6-2 分壓偏壓電路 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 (1) (2)因為IS ＝ID，所以VS ＝IS RS可寫成 8-6-2 分壓偏壓電路 (1) (2)因為IS ＝ID，所以VS ＝IS RS可寫成 VS ＝ID RS
P67 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 (3)VGS = VG－VS = VG－ID RS (4)ID = K(VGS－VT)2 = K(VG－ID RS－VT)2 解上式，並將計算過程中所產生的增根(不合理的答案)去除，即可求得汲極電流 ID。 (5)VD = VDD－ID RD (6)VDS = VD－VS = VDD－ID RD－ID RS = VDD－ID(RD + RS)
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P68
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P68 (7)註：因為VGS ＝VG－ID RS，所以當使用不同參數(K與VT)的增強型MOSFET而導致 ID變大時，VGS會變小，VGS變小則因為ID＝K(VGS－VT)2所以會令ID下降，就是這種自動調整的作用使分壓偏壓電路的穩定性很好。 同理，當使用不同參數的增強型MOSFET而導致 ID變小時，VGS會變大而令ID 上升，就是這種自動調整的作用使工作點不會大量偏移。
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P68
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P69
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P69
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P70 8-6-3 汲極回授偏壓電路
P69 8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 (1) (2)因為 所以 (3) 解上式，並將計算過程中所產生的增根(不合理的答案)去 除，即可求得汲極電流 ID。 (4)
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P70 (5)註：因為VGS ＝VDD－ID RD，所以當使用不同參數 (K與VT)的增強型MOSFET而導致ID變大時，VGS會變小，VGS 變小則因為ID＝K(VGS－VT)2 所以會令ID下降，就是這種自動調整的作用使汲極回授偏壓電路的穩定性很好。 同理，當使用不同參數的增強型MOSFET而導致 ID 變小時，VGS會變大而令ID 上升，就是這種自動調整的作用使工作點不會大量偏移。
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P70
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P71
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P71
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P71
8-6 增強型MOSFET之直流偏壓 P72