CH08

=== 第八章 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

第 8 章 場效電晶體

線上影片連結補充教材

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_{半導體元件-場效電晶體}

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_{Depletion MOSFETs}

8-1 JFET 之構造特性及直流偏壓

圖 8-1(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 8-1(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 8-1(c) 為 N 通道 JFET 之簡 化電路符號。 圖 8-2 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

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 1 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 V_GS 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 I_D 大小。

8-1 JFET 之構造特性及直流偏壓

如圖 8-3(a) 所示，當外加負偏壓 V_GG 使閘源極電壓 V_GS 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 I_G =0 。 N 通道 JFET 不可將 V_GS 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 I_G ≠0 。

8-1 JFET 之構造特性及直流偏壓

由上述分析，可知 JFET 的端點電流關係為： 　 ₂ 特性曲線

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 V_GS 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 I_D 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 I_D 由 D 極端流出，輸入電壓 V_GS 為正電壓，而 輸出電壓 V_DS 為負電壓，其特性曲線與直流等效電 路，如圖 8-8 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

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

　 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

　 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

JFET 直流偏壓方式主要有 3 種，其優缺點如表 8-1 所示 。

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 8-12(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 8-12(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 8-12(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

圖 8-13 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

　 ₁ 工作原理 1 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 V_GS 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 8-14(a) 所示，當 N 通道空乏型 MOSFET 之閘 極外加 V_GG 電壓使 V_GS 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 I_D 也會變小，如圖 8-14(b) 所示。

8-2 D-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

　 ₂ 特性曲線 2

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 I_D 具有定電流特性，與 V_DS 大小無關，但隨輸入 V_GS 的變大而變大，其輸 入輸出之 V_GS − I_D 特性曲線如圖 8-19(b) ，直流等效 電路如圖 8-19(c) 所示。 在圖 8-19(b) 中，當 V_GS > 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 V_GS 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

對於 P 通道 D-MOSFET 而言，輸入控制電壓 V_GS ，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 I_D 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 I_D 由 D 極端流出，輸入電壓 V_GS 為正電壓，而輸 出電壓 V_DS 為負電壓，其特性曲線與直流等效電路 ，如圖 8-20 所示。

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 V_GS >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：

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

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

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 I_D = ？

8-2 D-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

已知 D-MOSFET 之 I_D =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 I_D = ？

例題

_8-13

已知 D-MOSFET 之 I_D =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 I_D = ？

8-2 D-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

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 1

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

　 ₂ 自給式偏壓電路

2

8-2 D-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

N 通道 D-MOSFET 分壓式偏壓電路之源極電阻 R_S 不可省略，否則 V_GS >0 ， D-MOSFET 變成增強型特 性。 　 ₃ 分壓式偏壓電路 3

例題

_8-17

8-2 D-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

D-MOSFET 直流偏壓方式和 JFET 相同，主要有 3 種， 其優缺點如表 8-2 所示。

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 V_GS 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 V_GS 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 8-21(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 8-21(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

圖 8-21(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 8-22 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

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

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 V_GG 與 V_DD 電壓，使閘源極間和汲源極間產生正電壓 V_GS 與 V_DS 時，如圖 8-23(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。 　 ₁ 工作原理 1

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

當外加 V_GG 電壓變大使閘源極的 V_GS 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 V_GS 電壓大於臨界電壓（ threshold voltage ） V_{GS(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 8-23(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 I_D 電流。當 V_GS 持續增大時，通道會變大，通 道電阻會變小，使得 I_D 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 V_GS 產生之電場效應，來控制汲 源極之輸出電流 I_D 與 I_S 。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 I_G =0 ，也因此源極電流等於汲 極電流，即 I_S = I_G + I_D =I_D 。

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

如果在閘源極電壓 V_GS 不變下，加大汲源極電壓 V_DS ，則 V_GD =V_GS −V_DS < V_GS ，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 25(a) 所示梯形通道與圖 8-25(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 V_DS −I_D 輸出特性變成非線性電阻 特性，即 I_D 隨 V_DS 的增加而呈現非線性地趨緩增加 ，如圖 8-25(c) 所示。

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

同上情形，若再持續增加 V_DS 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 8-26(a) 所示夾止通道與圖 8-26(b) 所示通道立體圖 。

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

　 ₂ 特性曲線 2

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 V_GS 與輸出電壓 V_DS 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 I_D 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 I_D 由 D 極端 流出，輸入電壓 V_GS 與輸出電壓 V_DS 為負電壓，其 特性曲線與直流等效電路，如圖 8-28 所示。

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

已知增強型 MOSFET 之臨界電壓 V_GS(t) = 1V ，求例 8-18 圖 (1)(a) 、 (b) 、 (c) 之工作模式各為何？

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

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

　 ₁ 固定式偏壓電路

1

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

　 ₂ 分壓式偏壓電路

2

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

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

　 ₄ 汲極回授式偏壓電路 4 圖 8-30 為汲極回授式偏壓電路，可提高直流工作點的穩 定度，類似 BJT 的集極回授式電路。因 I_G = 0 ， R_G 上沒 有壓降，可得閘源極電壓：

8-3 E-MOSFET

之構造特性及直流偏壓

觀察圖 8-30 汲極回授式偏壓電路，因為 V_GD = V_GS V_DS = 0 必小於 V_GSt ，所以此電路導通時，一定工作於夾止飽 和區。

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

E-MOSFET 直流偏壓方式主要有 4 種，其優缺點如表 8-3 所示。

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

　 開關功能

1

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

FET 在 V_DS 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 V_GS 控制，如圖 8-32 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。

　 ₂ 電阻功能 2

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

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 V_gs − I_d 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 。 　 ₃ 放大功能 3

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

經由電子學上冊說明與分析電晶體（ BJT ），及本 章節說明與分析場效電晶體（ FET ）後，我們可以 瞭解到，無論是 BJT 或 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 g_m 而言： BJT 比 FET 有較高的互 導增益 g_m 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 8-4 所示。

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較

8-4 FET

與 BJT 之功能特性

比較