第8章 場效電晶體 8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

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第8章 場效電晶體 8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 === 第八章 場效電晶體 === 第8章 場效電晶體 8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 8-4 FET與BJT之功能特性比較

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 如圖8-1 所示為電晶體的分類圖,電晶體可分為雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor,簡稱BJT)和場效電晶體(field effect transistor,簡稱FET)兩大類,而FET 依控制閘的不同又分為兩類,分別為: 1.控制閘為接面型的接面場效電晶體(junction FET,簡稱JFET)。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 2.控制閘為絕緣型的金屬氧化半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor FET,簡稱MOSFET ),並再依通道預置與否,區分為空乏型(depletion)與增強型(enhancement)兩種。 無論何種FET,都有N 通道與P 通道之分。雖然FET 種類較多,但是其對應的特性方程式與曲線都很類似。同時,FET 輸入電阻極大,輸入電流趨近於0,所以實際應用分析比BJT 簡單很多。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 圖8-2(a)為N 通道接面型場效電晶體(JFET)的物理結構圖,如圖所示,在一個N 型半導體的通道上下兩端分別鍍上一層導體,再以導線引出作為電流通道的汲極(drain,D 極)與源極(source,S 極)。另外,在通道兩側植入P 型半導體並相連接後,再鍍上一層導體,以導線引出作為控制電流通道大小的閘極(gate,G 極)。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 圖8-2(b)為N 通道JFET 電路符號,圖中箭頭方向表示P 型閘極指向N型源極通道,如同NPN 電晶體電路符號一樣,其箭頭方向為P 型基極指向N 型射極。圖8-2(c)為N 通道JFET 之簡化電路符號。 圖8-3 為P 通道JFET,其物理結構與N 通道大同小異,主要差別在於傳導載子不同。N 通道所傳導的載子為電子,而P 通道所傳導的載子為電洞。因此,P 通道JFET 控制閘極為N 型半導體,電路符號之箭頭方向與N通道相反,其餘結構則與N 通道相同。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 對FET 而言,不管是N 通道或是P 通道,其工作原理皆相同,只是傳導載子不同,所以產生的電流與電壓方向皆相反。由於N 通道傳導載子為電子,其移動率較高,速度較快,所以實用上,大多是以N 通道為主。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 1   工作原理 N通道JFET在閘極(G)未加任何偏壓時,汲極(D)與源極(S)間就已經存在電流通道;因此,為能控制電流通道大小,控制閘極電壓VGS 在正常情況下,應施予負偏壓以形成空乏區,進而控制通道大小及輸出電流ID 大小。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 如圖8-4(a)所示,當外加負偏壓VGG 使閘源極電壓VGS 形成逆向偏壓(P 型半導體的G 極為負電壓、N型半導體的S 極為正電壓)時,將使G、S 之PN 接面附近形成空乏區,在此通道兩側所形成的空乏區大小會改變通道大小,並進而控制通道電流大小。同時,因為閘極與通道為逆偏特性,所以閘極電流IG =0。 N 通道JFET 不可將VGS 接成正偏壓,否則PN 接面會形成順偏導通狀態,無法控制通道電流大小,並且將使閘極電流IG ≠0。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓   特性曲線 2 由上述分析,可知JFET 的端點電流關係為:

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 對於P 通道JFET 而言,輸入控制電壓VGS 必須加上正電壓,如此才能形成空乏區,進而改變P 通道大小,以控制通道ID 電流大小。因此可知,P 通道之電壓與電流方向,皆與N 通道相反,即輸出電流ID由D 極端流出,輸入電壓VGS 為正電壓,而輸出電壓VDS 為負電壓,其特性曲線與直流等效電路,如圖8-9 所示。

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-1

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-2

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-3

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-4

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 JFET的直流偏壓方式可分為固定式、自給式及分壓式等偏壓方式,茲分述如下: 1   固定式偏壓電路

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-5

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-6

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 2   自給式偏壓電路

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-7

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 3   分壓式偏壓電路

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-8

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-9

8-1 JFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 空乏型MOSFET的V-I 特性與接面場效電晶體JFET幾乎完全相同。兩者主要不同之處為物理結構:JFET 的控制閘為接面型;D-MOSFET 的控制閘為絕緣型。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-13(a)為N 通道空乏型MOSFET(簡稱D-MOSFET)的物理結構,如圖所示,在一個P 型半導體的基體(substrate)上,植入N 型半導體作為通道,並於通道兩端植入兩個高摻雜濃度的N型半導體(以N+ 表示),且鍍上一層導體以導線引出作為汲極(drain,D極)與源極(source,S 極)。另外,在汲源極間的通道上,鍍上一層二氧化矽(SiO2)的絕緣材料,並鍍上一層導體以導線引出作為閘極(gate,G 極)。至於P 型基體所引出的基體極(body, B 極),是為確保基體對汲極與源極保持逆偏隔離關係而設,因此平常必須接上負電壓(對N通道MOSFET而言),或與源極相接。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 MOSFET 之閘極與N 通道間為二氧化矽絕緣體材料;JFET 之閘極端與N 通道間為P 型半導體材料。 圖8-13(b)為D-MOSFET 電路符號,圖中顯示閘極與通道之空隙為絕緣體,且基體極與源極相接,而箭頭方向表示P 型基體指向N 型通道。 圖8-13(c)為D-MOSFET 之簡化電路符號,圖中省略顯示基體極,但多加紅色粗線表示預置之通道,且其箭頭方向表示電流由源極流出。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 MOSFET 因汲極與源極為對稱關係,故理論上是可對調使用,此和BJT 之集極與射極不同。但實際上,若基體極已和源極相接時,則汲極與源極不可對調使用。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-14 為P 通道空乏型MOSFET,其物理結構與N 通道大同小異,主要差別在於傳導載子不同。N 通道所傳導的載子為電子,而P 通道所傳導的載子為電洞。因此,P 通道空乏型MOSFET 的基體為N 型,汲源極為高摻雜濃度的P 型半導體(以P+ 表示),電路符號之箭頭方向與N 通道相反,其餘結構則與N 通道相同。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 工作原理 1   工作原理 N 通道空乏型MOSFET,在未加任何偏壓時,就已經預置通道,為能有效控制通道大小,控制閘極電壓VGS 在正常情況下,須加負偏壓以控制其通道大小,此與JFET 相同。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 如圖8-15(a)所示,當N 通道空乏型MOSFET 之閘極外加VGG 電壓使VGS 為負偏壓時,閘極與通道間所形成的電場效應會排除N 通道上之電子,並吸引P 型基體的電洞聚集於二氧化矽層下,而被吸引的電洞會與N 通道之電子結合並形成空乏區。當空乏區形成時,通道橫向高度會變小,而流過的電流ID 也會變小,如圖8-15(b)所示。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 2   特性曲線

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 在夾止飽和區內的輸出電流ID 具有定電流特性,與VDS 大小無關,但隨輸入VGS 的變大而變大,其輸入輸出之VGS − ID 特性曲線如圖8-20(b),直流等效電路如圖8-20(c)所示。 在圖8-20(b)中,當VGS > 0 時,通道會變得比原來大,此時空乏型MOSFET 將變成增強型特性,而非空乏型特性,所以對於N 通道空乏型MOSFET 而言,閘極控制電壓VGS 在正常情形下應加負偏壓。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 對於P 通道D-MOSFET 而言,輸入控制電壓VGS,必須加上正電壓,如此才能吸引N 型基體的電子與P 通道內的電洞結合,形成空乏區,進而改變P 通道大小,控制ID 電流大小。因此可知,P 通道之電壓與電流方向,皆與N通道相反,即輸出電流ID 由D 極端流出,輸入電壓VGS 為正電壓,而輸出電壓VDS 為負電壓,其特性曲線與直流等效電路,如圖8-21 所示。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 由半導體物理學證明,可得空乏型MOSFET 之夾止飽和區輸出電流公式與JFET 相同為:

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 與JFET不同是空乏型MOSFET也具有增強型特性(當VGS >0 時),所以空乏型MOSFET 之夾止飽和區輸出電流公式又可表示為:   增強型MOSFET 之特性於下一章節討論。

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 其中k 為一物理結構參數值,其值正比於通道寬度W,反比於通道長度L,即: 由公式(8-11)與公式(8-12),可知 化簡上式可得:

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 最後得知:

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-10

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-11

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-12 同例題8-11,求空乏型MOSFET 之參數k 值?並以增強型公式,求輸出電流ID =? 例題 8-12

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-13 已知D-MOSFET之ID =4.5mA,若將D-MOSFET之通道寬度增寬一倍,而長度縮短一半,求改變後之ID =? 例題 8-13 13. 已知D-MOSFET 之ID =2mA,若將D-MOSFET 之通道寬度縮窄一半,而長度增加一倍,求改變後之ID =?

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-14 D-MOSFET 的直流偏壓方式與JFET 相同,可分為固定式、自給式及分壓式等偏壓方式,茲分述如下: 1   固定式偏壓電路 例題 8-14

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-15

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 2   自給式偏壓電路 例題 8-16

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-17 分壓式偏壓電路 3   分壓式偏壓電路 N 通道D-MOSFET 分壓式偏壓電路之源極電阻RS 不可省略,否則VGS >0,D-MOSFET 變成增強型特性。 例題 8-17

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-2 D-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 增強型MOSFET 與空乏型MOSFET 唯一不同點是:增強型沒有預置通道,而空乏型有預置通道,所以對於N 通道OSFET 而言,增強型之控制閘極電壓VGS 要為正,才能感應通道、控制電流大小;空乏型之控制閘極電壓VGS 要為負,才能限制通道、控制電流大小。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-22(a)為N 通道增強型MOSFET(簡稱E-MOSFET)的物理結構,如圖所示,在一個P 型半導體的基體(substrate)上植入兩個高摻雜濃度的N 型半導體(以N+表示)並鍍上一層導體,以導線引出作為汲極(drain,D 極)與源極(source,S 極)。另外,在汲極與源極間的P 型基體上鍍一層二氧化矽(SiO2)絕緣材料,再鍍上一層導體並以導線引出作為閘極(gate,G 極)。至於P 型基體所引出的基體極(body,B 極),是為確保基體對汲極與源極保持逆偏隔離關係而設,因此平常必須接上負電壓(對N 通道MOSFET 而言),或與源極相接。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-22(b)為E-MOSFET 電路符號,與D-MOSFET 電路符號比較,其最大不同的地方是D 極與S 極間之通道,因為E-MOSFET 未預置通道所以以虛線表示;但是D-MOSFET 有預置通道所以以實線表示。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-22(c)為E-MOSFET簡化之電路符號,與D-MOSFET電路符號比較,其D、S 極間無紅色粗線之預置通道。 MOSFET 因汲極與源極為對稱關係,故理論上是可對調使用,此和BJT 之集極與射極不同。但實際上,若基體極已和源極相接時,則汲極與源極不可對調使用。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 圖8-23 為P 通道增強型MOSFET,其物理結構與N 通道大同小異,主要差別在於傳導載子不同。N 通道所傳導的載子為電子,而P 通道所傳導的載子為電洞。因此,P 通道增強型MOSFET 的基體為N 型,汲源極為高摻雜濃度的P型半導體(以P+表示),電路符號之箭頭方向與N通道相反,其餘結構則與N 通道相同。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 對MOSFET 而言,不管是N 通道或是P 通道,其工作原理皆相同,只是傳導載子不同而已,所以產生的電流方向與電壓方向皆相反。由於N 通道傳導載子為電子,其移動率較高,速度較快,所以實用上,大多以N 通道為主。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 工作原理 1   工作原理 1 N 通道增強型MOSFET,由於N 型區的汲極與源極,隔著P 型基體,所以汲極與源極內的電子無法越過P 型基體而流通。但是當我們外加VGG 與VDD 電壓,使閘源極間和汲源極間產生正電壓VGS 與VDS時,如圖8-24(a)所示,閘極與基體間因閘極正電壓而形成一個電場,此電場效應會排斥二氧化矽層下P 型基體內的電洞(P 型半導體內的多數載子),但會吸引電子(P 型半導體內的少數載子)聚集於二氧化矽層下。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 當外加VGG 電壓變大使閘源極的VGS 電壓增大時,被吸引在二氧化矽層下的電子數目會增加,直到VGS 電壓大於臨界電壓(threshold voltage)VGS(t) (約為1~3 伏特左右)時,聚集於二氧化矽層下的電子會形成一個N 型通道,如圖8-24(b)所示。此時,源極區內的電子便可經由此通道而到達汲極區,形成ID 電流。當VGS 持續增大時,通道會變大,通道電阻會變小,使得ID 電流變大。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 由上述說明,可知E-MOSFET 的基本工作原理為:利用閘源極電壓VGS 產生之電場效應,來控制汲源極之輸出電流ID 與IS 。因為閘極與汲源極通道間,隔著一層二氧化矽絕緣體,所以閘極不會有任何電流流入通道,即IG =0,也因此源極電流等於汲極電流,即IS = IG + ID =ID。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 如果在閘源極電壓VGS 不變下,加大汲源極電壓VDS,則VGD =VGS −VDS < VGS,使得靠近D 極端電場較小、被吸引的電子變少,形成的通道橫向高度小於S 極端,如圖8-26(a)所示梯形通道與圖8-26(b)所示通道立體圖。由於D、S 極兩邊的通道高度不等高,所以VDS −ID 輸出特性變成非線性電阻特性,即ID 隨VDS 的增加而呈現非線性地趨緩增加,如圖8-26(c)所示。

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 同上情形,若再持續增加VDS 的電壓,則D 極端的通道會慢慢趨近於0,但不會為0,因為當D極端的通道高度持續減少時,其相對通道截面積也減少,D 極端的導通電流密度也隨之升高,G 極靠近D 極端的電子載子可適時的獲得補充,電流也不再繼續增加而維持一定,因為此現象如同通道被夾止、電流呈現飽和,所以稱為夾止飽和狀態,如圖8-27(a)所示夾止通道與圖8-27(b)所示通道立體圖。

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 2   特性曲線

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 對於P 通道增強型MOSFET 而言,輸入控制電壓VGS 與輸出電壓VDS 必須加上負電壓,如此才能吸引N 型基體的電洞,聚集於二氣化矽層下形成P 通道。當通道形成後,源極的電洞即可傳導至汲極,形成ID 電流,因此可知,P 通道之電壓與電流方向,皆與N 通道相反,即輸出電流ID 由D 極端流出,輸入電壓VGS 與輸出電壓VDS 為負電壓,其特性曲線與直流等效電路,如圖8-29 所示。

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-18 已知增強型MOSFET之臨界電壓VGS(t) = 1V,求例8-18 圖(1)(a)、(b)、(c)之工作模式各為何? 例題 8-18

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-19

8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-20

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 1   固定式偏壓電路 例題 8-21

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 2   分壓式偏壓電路 例題 8-22

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 3   含源極電阻之分壓式偏壓電路

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-23

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 4   汲極回授式偏壓電路

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8-3 E-MOSFET之構造特性及直流偏壓 例題 8-24

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8-4 FET與BJT之功能特性比較 1   開關功能

8-4 FET與BJT之功能特性比較

8-4 FET與BJT之功能特性比較   電阻功能 2 FET在VDS 很小時,因為通道特性如同線性電阻,而且其電阻值可藉由閘極電壓VGS 控制,如圖8-33 所示,所以FET 可當作電壓控制電阻器(Voltage Controlled Resistor, VCR)使用,並常應用於IC 內部電路及自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)電路。

8-4 FET與BJT之功能特性比較   放大功能 3 FET 和BJT 一樣,只要將直流偏壓工作點設計於主動區(FET 稱為夾止飽和區;BJT稱為順向主動區)時,疊加於輸入端的交流信號,經由FET 之輸入輸出Vgs − Id 特性曲線轉換後,可得到一個放大信號輸出。有關FET 放大電路,將於下一章節討論。

8-4 FET與BJT之功能特性比較 從上面的說明與分析,我們已經很清楚地瞭解到,無論是電晶體(BJT)或場效電晶體(FET),都有放大與受控開關的功能,但是它們之間仍有差異,也各有其優缺點,到目前為止都還無法完全互相取代,這就是為什麼這兩種元件會同時存在的原因。其主要的差異如下:

8-4 FET與BJT之功能特性比較

8-4 FET與BJT之功能特性比較

8-4 FET與BJT之功能特性比較 8.就互導增益gm 而言:BJT 比FET 有較高的互導增益gm 值。 9.就響應速度而言:因為電子的移動速率較電洞快,所以BJT 之NPN 比PNP 快;FET 之N 通道比P 通道快。 10.就頻率響應而言:因為FET有較高的輸入電容量(JFET 為空乏電容量,MOSFET 為閘極與通道間二氧化矽所形成的平行板電容量),所以頻率響應及操作速度較BJT 慢。

8-4 FET與BJT之功能特性比較 11.就線性度而言:BJT的輸入與輸出關係為指數關係,而FET為平方關係,所以BJT在主動區時,其直流工作點上的小信號放大有較好的線性特性。 12.就電流輸出驅動能力而言:BJT 比FET 有較大電流輸出。 13.就偏壓方式而言:BJT 的名種偏壓方式皆同時適用於NPN 與PNP,但E-MOSFET的汲極回授偏壓方式不適用於D-MOSFET與JFET;D-MOSFET 與JFET 的自給偏壓方式不適用於E-MOSFET。

8-4 FET與BJT之功能特性比較 各種FET的工作模式、特性曲線與等效電路之比較整理,如表8-1 所示。

8-4 FET與BJT之功能特性比較

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