22-4场效电晶体.doc

§4 場效電晶體 場效電晶體的種類 場效電晶體(field effect transistor，FET)的構想較雙極性電晶體(BJT)更早被提出來。1920年，李連菲德設計了一個如右圖所示結構的裝置。圖中半導體(Cu2S)與其左右兩旁的金屬電極A及B，形成一個電阻器，當半導體上方的鋁電極C與電極A或B之間有電壓存在時，將改變半導體的導電性，因而改變A和B兩端間的電阻。這是因為電極C及電極A或B之間的電壓會在半導體中建立電場，此電場可改變半導體的導電性，使得電阻器的電阻值產生變化，此種效應正是電晶體的特性。因此，這類結構的電子元件稱為(電)場效(應的)電晶體。今日，場效電晶體在所有的電子應用上，已占有九成以上的比率。 因為場效電晶體組成電流的載子僅限一種極性，即電洞或自由電子，故又稱單極性電晶體(unipolar transistor) 場效電晶體的種類： 接面場效電晶體(JFET、junction field effect transistor)的結構及基本特性 結構：一個n或p型半導體，兩側各嵌入高摻濃度之另一型半導體，其中央有一個使載子流動的通道，分別為n通道(n-JFET)與p通道(p-JFET)。 通道(channel)：介於源極與汲極間的電中性半導體區域，亦泛指半導體的多數載子可以流動的區域。 電極： (1)源極(source，S)：為金屬電極，是載子發源地。 (2)汲極(drain，D)：為金屬電極，由通道汲取載子。 (3)閘極(gate，G)：兩個閘極間有導線相連，可控制通道之寬度。 場效電晶體具左右對稱的結構，要以哪一端當源極或汲極皆可，惟當將其連接上電路後，就可確定。 基本特性： (1)在閘極(G)與通道之間的p-n接面，施以逆向偏壓，使在垂直於接面的方向上，產生一個內建電場(空乏區)。因為閘極的摻雜濃度比通道高，故空乏區主要是落在通道上。 (2)在源極(S)和汲極(D)之間加上電位差，驅動通道上多數載子的流動。p通道為電洞通道為電子p-n接面在通道間空乏區的大小，藉以改變通道的電阻，而達到控制電流的目的。 接面場效電晶體工作原理 半導體通道的電阻： (1)長方體電阻器兩端的電阻值，其中ρ為材料的電阻率；L及A分別為長方體的長度與截面積。 (2)半導體通道的電阻亦同，其中ρ為半導體電阻率；L為通道的長度；A為通道的等效截面積。 接面場效電晶體的偏壓有兩種： (1)VD使源極(S)與汲極(D)間的順向偏壓驅使通道中的電洞，形成電流ID。 (2)VG使源極(S)與閘極(G)、汲極(D)與閘極(G)產生逆向偏壓，使pn空乏區層擴大(由於通道摻雜濃度低，空乏區主要落在通道內)，縮小通道截面積，增加通道電阻，使ID變小。 控制VD一定，而改變VG時，可控制通道電阻，進而改變通道之電流ID。 由於(p通道)S-D順向偏壓 → 電位SDG-S、G-D逆向偏壓 → 電位GS 且 GD可得 電位GSD → 越靠近汲極(D)之逆偏程度越大，通道截面積越小 接面場效電晶體IB極小 → IS ≒ ID 接面場效電晶體特性曲線 場效電晶體在電路的連接上，有共源極(common source，CS)、共閘極(common gate，CG)及共汲極(common drain，CD)等三種組態。其中以共源極的組態最為常見。 共源極組態的JFET：，輸入端為閘極與源極兩接腳，其電路如左圖。 共源極組態的特性曲線：JFET在共源極汲極電流C與源極-汲極電壓(VGS)的特性曲線圖如右。其輸出曲線可分成三個工作區域：(1)截止區。 (2)線性區(歐姆區)。 (3)飽和區。 截止區：特性曲線為一條沿著VD軸的直線 線性區(歐姆區)：當VD甚小時，ID與VD約成線性的正比關係；但當VD漸增時，ID漸趨向飽和(但仍未達真實的飽和條件)。 飽和區(定流區)(夾止區)： 場效電晶體的工作乃依賴閘-源極間的電壓(VGS)來控制汲-源間的電阻值(VD所產生ID)。因為輸入電流幾乎為零，因此可將場效電晶體歸類為(輸入)電壓控制(輸出電流或電壓)的電子元件。 場效電晶體之中「場效」意義為 (A)利用電場變化產生電磁波幅射以利資訊傳輸 (B)利用電磁場感應產生感應電流來，改變輸出電流的大小 (C)利用電場效果改變通道寬窄，進而改變電晶體電阻 (D)利用電場使pn接面產生變化，以利多數載子通過 (E)利用電磁場效應以使通道中的電流偏向而產生放大效果 。㊣：C JFET與BJT的比較： 載子 操作型態 作用 反應速率 功率 輸入阻抗 輸出阻抗 BJT 雙極性 以電流控制輸出電流 放大或開關 快 耗電 小 大 JFET 單一載子 以電壓控制輸出電流 放大或開關 慢 省電 大 小 金氧半場效電晶體(metal oxide semiconductor