第六章: 場效電晶體 1

場效電晶體 FETs 〈場效電晶體〉 是非常相似於 BJTs (双極性接面電晶體)。 相似性: • 放大器 • 切換裝置 • 組抗匹配電路 相異性: • FETs 是電壓控制的裝置而 BJTs 是電流控制的裝置。 • FETs 也有更高的輸入阻抗，但是 BJTs 有較高的增益。 • FETs 對溫度變化有較小的靈敏性，而且由於其結構而更容易集積在 Ics 上。 • FETs 通常比BJTs有較大的靜電敏感。 2

FET 型式 JFET–– 接面場效電晶體 MOSFET –– 金屬氧化物場效電晶體 D-MOSFET –– 空乏型 MOSFET E-MOSFET –– 增強型 MOSFET 3

JFET 構造 JFETs 有兩種型式 n-通道 p-通道 n-通道 較為廣泛地使用。 有三個端點。 汲極 (D) 與 源極 (S) 是連接到 n-通道 閘極 (G) 為連接到 p-型材料 4

JFET之基本操作 JFET 操作可以比喻為水龍頭。 水壓的源頭就是在汲-源極電壓的負電極電子之加速。 水之流出點 就是在外加電壓的正電極之不足電子 (或是電洞)。 水流的控制就是閘極電壓用來控制n-通道的寬度，且因此控制源極流至汲極的電荷。 5

JFET 操作特性 JFET的三種基本操作情況: VGS = 0, VDS 增加一些正值 VGS < 0, VDS 在少許的正值 電壓控制的電阻器 . 6

JFET 操作特性 VGS = 0, VDS 增加一些正值 介於 p-閘極與 n-通道 之間的空乏區增加 ， 此是來自n-通道的電子與來自p-閘極的電洞結合。 增加的空乏區會減少 n-通道之大小，因此增加 n-通道的電阻。 即使 n-通道電阻是增加的， 電流(ID) 自源極而流經 n-通道到汲極也是增加的是因為電壓 VDS 增加。 7

JFET 操作特性 VGS = 0, VDS 增加少許正值: 夾止 如果VGS = 0 且 VDS 越增加到更正的電壓值，那麼空乏區域加大到使n-通道夾止。 這情形促使n-電流(ID) 會下降至0A, 但是恰好相反，一但 VDS 增加也會使 ID增加 。 8

JFET 操作特性 VGS = 0, VDS 增加到某些正的值: 飽和 在夾止點: 任何 VGS 的增加並不產生ID的任何增加值，在夾止處的VGS 是標記為 Vp。 ID 在飽和或最大，它指示為 IDSS。 通道的歐姆值是最大。 9

JFET 操作特性 VGS < 0, VDS 在一些正的值 10

JFET 操作特性 VGS < 0, VDS 在某些正的值: ID < IDSS JFET在較低的電壓 (Vp)會夾止。 即使VDS是增加的而ID 會減少(ID < IDSS)。 最後 ID 到達 0A ，在該點的 VGS 就稱為 Vp 或 VGS(off)。 同時也要注意到在高準位的 VDS 值， JFET 會達到崩潰情形。 若VDS > VDSmax ，則ID 增加會無法控制。 11

JFET 操作特性 電壓控制電阻器 在夾止點軌跡的左邊區域稱為 歐姆區。 JFET 可使用為可變的電阻器，其中 VGS 控制汲-源極電阻(rd)。 只要VGS 改變的更負, 電阻 (rd) 就會增加。 12

p-通道 JFETs 除了極性與電流為相反之外， p-通道 JFET 與n-通道 JFET之動作均相同。 13

p-通道 JFET 特性 當VGS 增加更正時 空乏區域增加 ID 減少 (ID < IDSS) 最終 ID = 0A 同時要注意到在高準位之 VDS 值的JFET 會到達崩潰情形。若VDS > VDSmax ，則ID 會無法控制增加。 14

JFET 符號 15

JFET 轉移特性 JFET 的輸入對輸出之轉移特性和BJT同樣無法直接求得. 在BJT中,  是指 IB (輸入) 與IC (輸出)之間的關係。 在JFET中, VGS (輸入)與ID (輸出) 的關係稍有些複雜: 16

JFET 轉移曲線 此圖形顯示出帶入一已知 VGS 值即可得一ID值。 17

JFET 轉移曲線繪圖法 利用規格表中之 IDSS 與 Vp (VGS(off)) 值，依據下列三步驟可畫出轉移曲線: 步驟1 在 VGS = 0V，求得 ID = IDSS 步驟1 在 VGS = Vp (VGS(off))，求得 ID = 0A 步驟 2 在 VGS = 0V 到 Vp ，求解 步驟 3 18

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JFET 規格表 電氣特性 Maximum Ratings 請參閱書中更多資料 21

JFET 外殼結構與端腳辨識 22

JFETs測試 曲線循跡器 曲線循跡器會顯示不同的 VGS 準位下 ID 對 VDS 圖形。 特殊FET測試器 這些測試器能顯示 JFET 測試中之 IDSS 。 23

MOSFETs MOSFETs 的特性相似於 JFETs ，且附加特性使其非常有用。 MOSFETs有兩種型式: 空乏型 增強型 24

空乏型 MOSFET 結構 汲極(D) 與 源極 (S) 連接到 n-摻雜區。而 n-摻雜區經由 一 n-通道所連接，而 n-通道 是經由一道薄的 SiO2 絕緣層與閘極 (G) 連接。 摻雜n 的材料位在摻雜 p的基質上，故會有一增加的連接端腳而稱為 基質 (SS). 25

基本MOSFET 操作 6.26 26

基本MOSFET 操作 空乏型 MOSFET 可在兩種模式下操作: 空乏模式 增強模式 27

空乏型 MOSFET 在空乏模式之操作 空乏模式 此特性相同於 JFET。 當VGS = 0V, ID = IDSS 使用於繪出轉移曲線圖的公式仍然應用下式: 28

空乏型 MOSFET 增強模式之操作 增強模式 VGS > 0V ID 增加超過 IDSS 使用於繪出轉移曲線圖形仍然應用下式: 29

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p-通道空乏型MOSFET 31

規格表 電氣特性 Maximum Ratings 請參閱書本更多資料 32

增強型 MOSFET 結構 汲極 (D) 與 源極 (S) 連接到 n-摻雜區。 這些n-摻雜區是經由 n-通道連接的。 閘極 (G) 是經由薄的 SiO2 絕緣層連接到摻雜 p的基質。 沒有通道 摻雜的 n材料位於摻雜的 p基質上，因此會有一增加的連接端腳而稱為 基質 (SS)。 33

增強型 MOSFET之基本操作 增強型 MOSFET 只在增強模式下操作 VGS 為永遠正的 當 VGS 增加, ID 增加 當 VGS 為持定值而 VDS 增加時, 那麼 ID 飽和 (IDSS) 且到達飽和準位 VDSsat 。 34

增強型 MOSFET 轉移曲線 給予 VGS 而求得 ID : 其中: VT = 臨限電壓或是在 MOSFET 剛導通時的電壓。 k = 特性表上所找出的常數 k 也可使用在特定點上之值與下列公式來決定: VDSsat 可以下式來計算: 35

p-通道增強型 MOSFETs p-通道增強型 MOSFET 除了電壓極性與電流方向是相反之外，皆相同於 n-通道。 36

增強型MOSFET符號 37

規格表 電氣特性 Maximum Ratings 請參閱書本更多資料 38

CMOS 裝置 CMOS (互補MOSFET) 使用 p-通道 與 n-通道 MOSFET 在棚的基質上。 優點 益於邏輯電路設計 高的輸入阻抗 快的切換速率 低的操作功率準位 39

摘要表 40