3.5場效應電晶體

前面所述的接合型電晶體都是以電洞和電子兩種載體同時傳導電流,所以又稱為雙極性電晶體。而接著要說明的場效電晶體只用一種載體作電流之傳導,所以稱為單極性電晶體。如載體為電洞者,稱為P通道場效電晶體;如載體為電子者,稱為N通道場效電晶體。

場效電晶體簡寫為FET,是一種利用電場來控制電流的半導體。其種類可分為兩種:接合場效電晶體(縮寫為JFET或直接稱為FET)及絕緣閘場效電晶體(縮寫為IGFET),後者一般稱為金屬-氧化物-半導體電晶體(縮寫為MOSFET)。場效電晶體比起一般電晶體有下列各項優點:

  1. 它是一個單極性的裝置,真空管是另一種單極性裝置。
  2. 它不受幅射的影響。
  3. 它的輸入電阻非常大,往往高達數百萬歐姆。
  4. 它比真空管或雙極性電晶體的噪音小。
  5. 當汲極(D)電流為零時,它沒有抵補電壓,所以可以為一個非常好的訊號斷續器。
  6. 它具有熱穩定度。

它的最大缺點放大率與頻率寬的乘積比一般用的電晶體要小

3-5-1接合場效電晶體

將一塊N(P)半導體的上下各摻入P(N)雜質,即形成N通道(P通道)場效電晶體。如圖3-30所示,場效電晶體有三個電極,為源極(S)、閘極(G)、汲極(D)。在通道之一端為多數載體流入者,稱為源極;另一端為多數載體流出者,稱為汲極;兩側的半導體稱為閘極。JFET在正常情況時,閘極到源極間電壓VGS均施以逆向偏壓來控制。

如在N通道JFET加上電壓,首先假設VGS=0;如圖3-31(a)所示,此時閘極與源極處於同電位,整個N型矽塊呈現電阻性,此時汲極與源電流最大,電流流經此電阻造成電壓降,此電壓降沿著閘極周圍建立一電場,猶如加上一逆向偏壓,而出現空乏區。因靠近汲極其逆向偏壓愈大,形成的空乏區也就愈大。假設在閘極施加一負電壓,如圖3-31(b)所示,由VGS 所產生的電場,使通道的空乏區加大,電子流動的截面積減小,故汲極電流ID也隨著減小。因此,汲極電流ID受到閘極逆向偏壓VGS大小的控制。若VGS的負電壓增加,使空乏區擴大至通道寬度時,如圖3-31(c)所示,ID即無法流通,造成ID=0,此時VGS稱為夾止電壓(VP)VGS超過VP時,如圖3-31(d)所示,空乏區將向汲極延伸。

如圖3-32所示為JFET的特性曲線圖。圖3-33則為N通道FET的放大電路。

3-5-2絕緣閘場效電晶體

MOSFETJFET有更高的輸入電阻。構造上也有區別,其閘極是由一薄層氧化物如二氧化矽,經過熱處理接合在N型或P型矽塊基座表面,再以汽化的方法將一層金屬如鋁等安於氧化層之上而成。由於構造不同,可分為空乏型及增強型兩種。

1.空乏型MOSFET

如圖3-34所示,為N通道空乏型MOSFET的構造及電路符號。源極和汲極是摻入雜質濃度較大的N型半導體,而通道為摻入雜質濃度較小的N型區。這種FET的閘極電壓可為正電壓或負電壓。由於通道、氧化絕緣層及金屬膜構成一電容器的特性。當閘極電壓為零時,源極與汲極間有電流產生,使得有更多的電子從源極到汲極,於汲極電流ID增加。當閘極加上負電壓,N通道上將感應正電荷(電洞),這些電洞會使通道上電子的密度減少,因此汲極電流ID減少,閘極電壓愈負,則汲極電流ID就愈小。負偏壓加到某一數值,汲極電流會為零,即達到夾斷電壓。

2.增強型MOSFET

如圖3-35所示,為N通道增強型MOSFET的結構及電路符號。它是利用一塊少量雜質的P型半導體作為底座,再擴散兩個N型材料作為源極及汲極,閘極的金屬膜仍然以氧化層與底座隔開。在源極與汲間沒有通道。若閘極的偏壓為零,則源極與汲極間不會有電流流通。閘極若加上正電時,由於靜電感應作用,使源極與汲極間的底座感應出負電荷,形成N型載體的通道。於是汲極電流可以流通,且電壓愈大,通道載體愈多,ID就愈大。如果在閘極加上負電壓,則在底座上感應的是P型載體,故沒有汲極電流流通。

MOSFET因有低雜音及穩定性良好的特點,所以常被應用於高輸入阻抗電路及電壓放大電路。應用MOSFET時要特別注意,因其絕緣層很薄,靜電強度較高時,就足以將之破壞,所以一般均在內部加有保護裝置,或外面用一個金屬環將全部接腳短路,以防止靜電荷聚集在閘極上,此金屬環必須在電路完成後方可取下。

3.6習題

  1. 由圖3-26中,當VCE=10VIB=100μA時,IC=?又其β值為多少?
  2. MOSFET可分為那兩種?
  3. 請畫出JFETMOSFET的電路符號。