电子学概说40

1、§場效電晶體A.場效電晶體的種類1場效電晶體(field effect transistor, FET)的構想較雙極性電晶體920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 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(BJT )更早被提岀來。1(CU2S)與其左右兩CU2SC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

2、電晶體在所有的電子應用上，已占有九成以上的比率。2. 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)3. 場效電晶體的種類:B. 接面場效電晶體(JFET junction field effect, transistoi的結構及根本特性1. 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，分別為通道(n-JFET)與卩通道(p-JFET)。2. 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。3. 電極：(1) 源極(sourc

3、e，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。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,n - type(空乏區)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 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，n通道為電子(3) 調整逆向偏壓的大小，可以增加或縮小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

4、。C. 接面場效電晶體工作原理1. 半導體通道的電阻：(1)長方體電阻器兩端的電阻值Id(mA)歐姆區飽和區1.00.8-0.60.4 一1Vgs=0nVgs=0.5 VVgs=1.0 VVgs=1.5 VVgs=2.0 VVgs=2.5 V-_1111J_截止區其中P為材料的電阻率；L及A分別為長方體的長度與截面積。半導體通道的電阻亦同，其中P為半導體電阻率；L為通道的長度；A為通道的等效截面積。2. 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

5、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。3. 控制VD 定，而改變VG時，可控制通道電阻，進而改變通道之電流Id。4. 由於(P通道)S-D順向偏壓 f 電位S>DG-S、G-D逆向偏壓 f 電位G>S且 G>D可得電位G>S>D f越靠近汲極(D)之逆偏程度越大，通道截面積越小5. 接面場效電晶體正常工作時，閘極和通道間的pn接面是逆偏，故閘極電流Ib極小 f Is二IdD. 接面場效電晶體特性曲線Vd (V)1. 場效電晶體在電路的連接上，有共源極common source, CS、共閘極common

6、gate, CG及共汲極common dr ain, CD等三種組態。其中以共源極的組態最為常見。2. 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。3. 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。其輸岀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。4. 截止區：特性曲線為一條沿著Vd軸的直線川烏大hhVd罠閘極n屍兀孔处X X空乏區空乏區Vg大5. 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。川Lg小i-rVd小MH川1Vd大.r-_ - 之

7、 .' 區«IBB匸 F 11 »儿空-乏sxx K xxpi區閘極 nkJ通道PVg小川|-Vg小註【11 : Vd增加時，空乏區邊界擴張，通道縮Fl-Vg小減。6. 飽和區定流區夾止區:7.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感應電流來，改變輸出電流的大小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

8、用電磁場效應以使通道中的電流偏向而產生放大效果：C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單載子以電壓控制輸出電流放大或開關慢省電大小8.JFET與BJT的比較:電子學概說E. 金氧半場效電晶體(metal oxide_semiconductor FETMOSFET)的結構及根本特性1.1960年，柯恩及阿塔拉以金屬-氧化物-半導體(以金氧半表示)的閘極結構，設計出更為實用的場效電晶體，此元件以其閘極結構的組成，而稱為金氧半場效電晶體。由於可以有效縮小體積及其他方面的優點，因此在微 電子的應用上後來居上，不論在產量或是用途方面，都遠

9、超過其他任何一種電子元件。2. 有 (1)n通道加強模式金氧半場效電晶體(n-channel enhancement mode MOSFET，簡記NMOS)，較常用。及(2)p通道加強模式金氧半場效電晶體(p-channel enhancement mode MOSFET，簡記PMOS)。基極B絕緣體SiO 2絕緣體SiO 2|源極S閘極 汲極D ID '-BG D SG金屬電極絕緣體SiO2PMOS絕緣體SiO2汲極D源極S閘極P| P *NMOS金屬電極.A.i基極B3.結構：典型的金氧半場效電晶體的結構如圖所示，其有四個端點，分別為源極S、汲極D、閘極G及基板本體B(substr

10、ate body)，通常基片本體 B與源極S在內部並聯，故為三端的元件。以NMOS(左圖)為例：(1)在p型半導體的塊狀基底上方嵌入兩區相隔約110卩m的n型半導體。相隔區域的上方生長一層很薄的絕緣體SiO2，厚度約0.020.1卩m。各半導體與絕緣體之上蒸鍍一薄層的金屬電極(通常用鋁)。(4) 未外接電源時，兩n型區被p形基底隔開，並無通道。F. 金氧半場效電晶體的工作原理及根本特性1. 與接面場效電晶體類似。以閘極對源極及閘極對汲極的電壓(形成閘極與通道間的電場)影響了通道的導電性，進而改變了源極至汲極間的電阻，因此有電晶體的效用。以下以NMOS為例：BVg>0，吸引自由電子，通道形

11、成Vd=Vs，電子無法流動，Id=0* BVd>Vs，形成電流Id。而Vdb逆偏更勝於VSB，空乏區變大，通道減小。(1)S與B連通接地，且 S與 D之間短路，即 Vds=0(2)G與B之間有電位差，使中間所夾絕緣層SiO2形成電容(3)Vgs使G帶正電，吸引S與D的自由電子(多數載子)與卩的自由電子(少數載子)至SiO2下方，與兩側S與D之n型電子學概說區相連接，形成通道。此通道是由p型區轉變為n型區，稱為反轉層(inversion layer)。底限電壓 V (threshold voltage)(臨界電壓):為使反轉層之電子密度達到某一數值，才能成為可以導電的通道，為達此數值所需的

12、Vgs電壓值稱為底限電壓，一般約13V。對NMOS而言，Vg要高電位(+)t Vt > 0 ； 對 PMOS而言，Vg要低電位(-)t Vt < 0(5) Vgs大於底限電壓，但 S與 D之間Vds = 0(Vd=Vs),則反轉層中自由電子不會移動，Id = 0。Vgs大於底限電壓，在 S與D間加上順向偏壓 Vds(Vd>Vs),則反轉層中自由電子開始移動，形成汲極電流Idt Id = Is , Ig = 0對NMOS而言，Vd>Vs，電子流(主要載子)由源極流向汲極 t Id方向由汲極流向源極；對PMOS而言，VdvVs，電洞流(主要載子)由源極流向汲極 t Id方向

13、由源極流向汲極(6) Vds使電流由D流向S。但閘極與通道間的電位差，從左端Vg漸減至右端(Vg-Vd)，故自由電子密度從左至右遞減；即通道深度由左至右逐漸減小。(Vd>Vs且 Vb=0,故D-B間逆偏更勝於S-B，使D-B間空乏區變大，壓迫自由電子通道)2.JFET 與 MOSFET 的比較：(1) 對JFET而言，源極-汲極間電阻變化的效應，主要來自於其通道的幾何形狀的改變。對MOSFET而言，源極-汲極間電阻變化的效應，主要來自於通道中載子(電子或電洞)數量的改變(2) 對JFET而言，通道一直存在，電壓的調控只是讓它的截面積改變。對MOSFET而言，通道只有在需要時，才利用閘極的

14、電壓產生，平時不存在也就沒有電流流通。更省電。Vds (V)G. 金氧半場效電晶體的特性曲線1. 線性區：(Vgs >底限電壓Vt)VDS很小時，|D與VDS約略具有正比線性關係。2. 飽和區：(Vgs >底限電壓Vt)Vds增加時，Id幾乎維持不變。(Vds增加時，並不能吸引更多電子)Vgs增加時，Id隨之增加。(Vgs增加時，吸引岀更多自由電子)H. 金氧半場效電晶體的電路I. 操作MOSFET為電子開關：Vgs>Vt時，電流導通； VgsWt時，|d=0。故將Vgs在(an alog)信號。假设隨時間呈不連續的變化且類似階梯Vt上下變化，可作為開關。2操作MOSFET為放大元件：(如右圖)由閘極G輸入微小訊號，使 Vgs產生變化，Id隨之大 幅變化，可藉由Rd輸出放大訊號。在此線路中，當I g為零時，Id亦隨之為零。故可省電。I場效電晶體的應用1.一個信號的強度假设隨時間呈連續變化的關係，則稱為類比狀的改變，則稱為數位(digital)信號。2. 由於場效