场效电晶体简介一般场效电晶体fieldeffecttransistor简称FET.PDF

場效電晶體簡介 一般場效電晶體(field effect transistor ，簡稱 FET)和雙極電晶體一樣都有三 隻接腳，不過工作原理卻完全不同。FET 的控制接腳稱為閘極(gate ，簡稱G 極) ， 顧名思義閘極的功用就如同水壩的閘門；而水壩上方的水庫可以提供水，對應到 FET 的另一接腳稱做源極(source ，簡稱S 極) ；水壩下方水的出口，對應到FET 的第三隻腳稱為汲極(drain ，簡稱D 極) 。水流呢？那就對應到電流嘍！不過半導 體中的電流可以是電子流或電洞流，利用電子流來工作的稱為 n 通道場效電晶體 (n-channel FET) ，利用電洞流來工作的稱為p 通道場效電晶體(p-channel FET) 。n 通道 FET 的源極提供電子，經過 n 型通道(channel) ，到達汲極，電流方向是由汲 極流向源極；p 通道 FET 的源極則提供電洞，經過 p 型通道(channel) ，到達汲極， 電流方向是由源極流向汲極。通道的特性和其附近的電場有關，該電場可由閘極 的電位來控制，故此類電晶體稱為場效電晶體。圖 1 為 n 和 p 通道 FET 的示意 圖。由於 FET 工作時只利用到多數載體，和少數載體的特性無關，故均屬於單 載體元件(unipolar devices) 。 圖 1 n和 p 通道 FET 的結構比較圖。 FET 的構想在 BJT 被發明前就有了，只是那時材料及材料間介面缺陷都無 法控制，一直沒有實用的 FET 結構出現。近年來由於材料及磊晶技術的進步， 我們可以將材料及介面的缺陷及雜質降得很低，FET 得到很大的發展。 FET 的種類除了依導通用的載體種類來分外，還可依照閘極的結構來分。 FET 閘極結構有很多種類，這裡介紹兩種最常見的，一是逆向偏壓的 pn 接面， 另一種是閘極金屬、絕緣氧化物和半導體形成類似電容的結構。前者稱為接面場 效電晶體(junction field effect transistor ，簡稱JFET) ，後者稱為金氧半場效電晶體 (metal-oxide-semiconductor field effect transistor ，簡稱MOSFET) 。 1 接面場效電晶體的構造、原理與特性 這裡我們以 n 通道 JFET 為例來做說明，圖 2(a)為一個 n 通道 JFET 的結構 + 示意圖，源極與汲極以 n 型半導體通道連結，閘極則是 p 型半導體，個別再藉 由歐姆接點接到外界電路。改變閘極的偏壓 VG （圖中兩個閘極連結到同一電位） 可以調整空乏區的寬度（假設源極的電壓設在 0V ，且源極的電壓很小），因而n 型半導體通道的厚度 t 會改變，源極與汲極間的電阻 RDS=rL/ Wt （r是 n 型半導 體的電阻率，W 是通道寬度，L 是通道長度）也跟者改變。閘極的電壓愈負，pn + 接面的空乏區愈寬，由於通道的 n 型摻雜濃度遠較 p 型半導體的小，故增加的 空乏區大都在 n 型區中，通道厚度 t 變小，RDS 愈大。當閘極電壓負到一臨界值， 空乏區會寬到使 n 型通道完全消失，這時稱此通道被夾止(pinch off) ，電阻值變 成很大，這時的閘極電壓值稱為夾止電壓(pinch-off voltage)V 。這裡要注意，JFET p 的操作絕不允許閘極和源極或汲極間的 pn 接面被導通，閘極的直流電流幾乎為 零（只有 pn 接面的逆向飽和電流 ），否則源汲極間的導電特性便無法控制。又n 通道 JFET 的源極定義為提供通道電子的電極，而汲極為電子流入者，電流由汲 極經通道流向源極，故汲極的電位一定較源極為高，即 V = V - V 0 ，假如 DS D S V 0 ，我們必須將源汲極對調以符合他們的定義。圖2 (b)是 n 通道 JFET 的電 DS 路符號。 圖 2 (a) n 通道 JFET 的結構示意圖，(b)電路符號。