電子學實習ii實習手冊 l8(教師用本)

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第8第 13 第8第 第第第第 第第第第第 第1第第 第第第第 第第第第 一、 第第第第 1. 第第第第體(Field-Effect Transistor 第第 FET 第第第 第第第第 )一 PN第第第第 第第第第第第第 體, 第第第第 第第第PN第第第第第第第第第 第第第第第第第第第 第第第第第第第第第第第第第第 第第第第第第第第第第第 第第第第第 第第第第第第 第第第第 第第第第第第第 第第第 一(),體 第第第 第第

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 13

第 8章   場 效 電 晶 體 之 特 性 實 驗第 1 部 分   相 關 知 識一 、 上 課 筆 記

二 、 重 點 整 理1. 場效電晶體( Field-Effect Transistor;簡稱  FET   )是另一種類型的PN

接面電晶體,它是利用外加的 逆向電壓 來改變PN 接面空乏區的大小,以改變通道的寬窄,進而控制流過通道的電流大小,因為通道中的電流是由單一多數載子(電子或電洞)所組成,所以場效電晶體又稱為 單極性 電晶體(Unipolar Transistor )。

2. 場效電晶體具有的優點:(1) 輸入電阻 高 ,約為 108 ~1014Ω 。(2) 雜訊 小 ,適合使用在小信號放大電路中。(3) 沒有熱跑脫( Thermal Runaway )現象,所以熱穩定性佳。(4) 不易受到輻射影響。(5) 體積 小 ,適合應用在積體電路中。(6) 沒 有   抵 補   電 壓 ( Offset Voltage ) , 適 合 作 為 信 號 截 斷 器

(Chopper )。(7) 可作為雙向類比開關。

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14 第 8 章 場效電晶體之特性實驗3. 場效電晶體具有的缺點:

(1) 工作速度較 慢 。(2) 增益頻寬積較  小 。

4. 場 效 電 晶 體 區 分 為   接 面 型   場 效 電 晶 體 ( Junction Field-Effect Transistor ; 簡 稱 JFET ) 與   金 氧 半   場 效 電 晶 體 ( Melta-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor ;簡稱MOSFET)兩大類。

5. JFET 是利用閘-源極間的逆向電壓  V GS  來控制汲-源極電流  I DS

的大小,所以場效電晶體是屬於電壓控制元件;而電晶體則是利用基極電流IB 來改變集極電流IC 的大小,所以電晶體是屬於電流控制元件。

6. 當 VGS =0 時,若VDS 持續增加,空乏區的寬度會逐漸擴大,當空乏區擴大到使通道的寬度為最窄時,ID 電流維持固定,此時VDS 的電壓稱之為 夾止電壓 (Pinch-off Voltage ;簡稱VP )。當通道被夾止後,ID 電流不再隨著VDS 的增加而增加,此時ID 電流稱之為 飽和電流 IDSS 。若VDS 再持續增加,將使得源極與閘極的接面產生崩潰現象,ID 電流將急遽增加而使通道毀損,此時VDS 的電壓稱之為 崩潰電壓 (Breakdown Voltage ;簡稱BVDSS )。

7. 當 VGS≠0 時,當VGS 持續增加,閘源極間的空乏區寬度會逐漸擴大,當空乏區擴大到使通道的寬度為0 時,使得ID 電流為0 ,此時VGS 的電壓值,我們稱之為 截止電壓  (Cutoff Voltage ;簡稱VGS(OFF) ),依照敘述VGS(OFF)=VP 所以大小相同而且極性相同。

8. JFET 的基本放大電路,依其共同接地端的不同可分為 共源極放大電路 ( Common Source ; 簡 稱 CS ) 、   共 汲 極 放 大 電 路   ( Common Drain ;簡稱CD )與 共閘極放大電路 (Common Gate ;簡稱CG )三種。

9. JFET 直流偏壓工作點的步驟:步驟 說明1 求出 電壓。

2 將VGS 電壓代入 中,求出ID 電流。3 利用輸出迴路方程式,求出VDS 。4 寫出直流工作點(VDS ,ID )。

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 15

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16 第 8 章 場效電晶體之特性實驗

第 2 部 分   實 習 技 能實 習 項 目 1  N通 道 與 P通 道 JFET的 判 別步驟1 : 準 備 下 列 編 號 的 JFET :

2SK30A 、2SK34 、2SJ103、2SJ104。步驟2 : 由於JFET 的閘極(G )-汲極(D )與閘極(G )-源極

(S )間猶如PN 接面二極體,所以具有順向導通、逆向不通的特性;而汲極(D )-源極(S )間猶如一個電阻器,所以具有雙向導通的特性,因此汲極(D )-源極(S )接腳可以對調使用。JFET 的等效電路如圖8-30 所示,我們可以利用二極體的量測方法,來判別JFET 是N 通道或P 通道。

圖8-30  JFET的等效電路步驟3 : 將三用電表撥至R 1kΩ ,並作歸零校正。步驟4 : 任選場效電晶體的兩個接腳,將測試棒接觸此兩個接腳,測量

此兩個接腳,如具有二極體的特性,即順向導通、逆向截止不通,即可進行下一步驟。

步驟5 : 將任一個測試棒移至空接的接腳,找出另一個具有順向導通、逆向截止不通特性的接腳,則此共同接腳即為閘極(G ),如圖8-31所示。

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 17

       (a) 順向導通            (b) 逆向截止不通圖8-31  閘極(G )的判別

步驟6 : 根據步驟5 ,當三用電表指針偏轉時,若接觸閘極(G )的測試棒為黑色,則此場效電晶體為N 通道;反之,若接觸閘極(G )的測試棒為紅色,則此場效電晶體為P 通道。

步驟7 : 重複步驟4 至步驟6 ,判斷表8-8 中所列編號JFET 為N 通道或P 通道,以及閘極(G )接腳,並將結果記錄於表8-8 中。

*表8-8  N 通道與P 通道JFET的判別JFET 編號 2SK30A 2SK34 2SJ103 2SJ104

N 通道或P 通道 N N P P

外型與閘極(G )接腳

實 習 項 目 2  JFET的 D、 G、 S接 腳 之 判 別步驟1 : 準 備 下 列 編 號 的 JFET :

2SK30A 、2SK34 、2SJ103、2SJ104。步驟2 : 依據JFET 的編號,查詢JFET 資料手冊或上網查詢。步驟3 : 根據所查詢的資料,將其外型與源極(S )、閘極(G )與汲

極(D )接腳底視圖畫出,並記錄於表8-9 中。步驟4 : 請觀察資料手冊中的閘極位置是否與實習項目1 所測量的結果

相同?(填是或否) 是 。*表8-9  JFET的D 、G 、S 接腳判別

JFET 編號 2SK30A 2SK34 2SJ103 2SJ104

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18 第 8 章 場效電晶體之特性實驗

外型與接腳底視圖

實 習 項 目 3  JFET特 性 曲 線 測 量 與 繪 製步驟1 : 準備一顆2SK30A 場效電晶體,並按照圖8-32 將電路接妥。

圖8-32  場效電晶體特性曲線電路圖步驟2 : 如圖8-33 所示,使用三用電表的直流電流檔(DCmA)來測ID電流,使用示波器或三用電表的直流電壓檔(DCV )來測量VGS與VDS 電壓。

圖8-33  場效電晶體特性曲線測量電路圖步驟3 : 先調整電源電壓VDD =0V 。步驟4 : 調整可變電阻VR ,使VGS =0V 。步驟5 : 調整電源電壓VDD ,使VDS 的電壓依序為表8-10 中的數值,並

將各個VDS 電壓值所對應的ID 電流值記錄於表8-10 中。步驟6 : 調整可變電阻VR ,使VGS 的電壓依序為表8-10 中的數值,並

重複步驟5 。*表8-10  場效電晶體VDS 、VGS 電壓值與ID 電流值

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 19

VDS

ID

VGS

1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V

0V 1mA 1.8mA 2.7mA 2.7mA2.7m

A

2.7m

A2.7mA 2.7mA

2.7m

A

2.7m

A

-0.2V

0.7m

A1.5mA 2.2mA 2.2mA

2.2m

A

2.2m

A2.2mA 2.2mA

2.2m

A

2.2m

A

-0.4V

0.5m

A1.1mA 1.6mA 1.6mA

1.6m

A

1.6m

A1.6mA 1.6mA

1.6m

A

1.6m

A

-0.6V

0.4m

A0.7mA 1.2mA 1.2mA

1.2m

A

1.2m

A1.2mA 1.2mA

1.2m

A

1.2m

A

-0.8V

0.3m

A0.5mA 0.8mA 0.8mA

0.8m

A

0.8m

A0.8mA 0.8mA

0.8m

A

0.8m

A

-1.0V

0.2m

A0.3mA 0.5mA 0.5mA

0.5m

A

0.5m

A0.5mA 0.5mA

0.5m

A

0.5m

A

-1.2V

0.1m

A0.2mA 0.3mA 0.3mA

0.3m

A

0.3m

A0.3mA 0.3mA

0.3m

A

0.3m

A

步驟7 : 根據表8-10 中的數值,將VDS 與ID 的數值描繪於圖8-34 中。

圖8-34  VDS 與ID 的特性曲線步驟8 : 根據表8-10 中的數值,當VGS =0 時,若VDS 電壓大到使通道

被空乏區夾止,而使通道的寬度為最窄時,ID 電流維持固定,此時ID 電流稱之為飽和電流IDSS 。記錄其飽和電流 IDSS =  2.7

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20 第 8 章 場效電晶體之特性實驗mA 。

步驟9 : 根據表8-10 中的數值,當VGS≠0 時,若VGS 逆向電壓大到使通道的寬度為0 時,使得ID =0 ,此時VGS 的電壓值稱為截止電壓VGS(OFF),記錄其截止電壓 VGS(OFF)=  - 3   V 。

實 習 項 目 4  JFET 自 給 式 偏 壓 電 路 特 性 測試步驟1 : 使用實習項目3 所測量的2SK30A JFET ,並記錄其飽和電流

IDSS =  2.7   mA 與截止電壓VGS(OFF)=  - 3   V 。

步驟2 : 依據圖8-35 所示,將電路接妥。

    (a) 電路圖              (b) 實體圖

圖8-35  JFET自給式偏壓電路步驟3 : 如圖8-36 所示,將三用電表置於DCV 檔,測量場效電晶體

Q1 的閘極電壓VG 、汲極電壓VD 與源極電壓VS ,並將數值填入表8-11 電壓的測量值中。

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 21

(a) 測量電壓

(b) 測量VG 實體圖圖8-36  JFET自給式偏壓電路電壓測量圖

步驟4 : 如圖8-37 所示,將三用電表置於DCmA檔,測量閘極電流IG 、汲極電流ID 與源極電流IS ,並將數值填入表8-11 電流的測量值中。

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22 第 8 章 場效電晶體之特性實驗

 

(a) 測量電流               (b) 測量IS 實體圖    圖8-37  JFET自給式偏壓電路電流測量圖

步驟5 : 根據步驟1 所測量場效電晶體的飽和電流 IDSS 與截止電壓VGS(OFF),計算電路中電晶體各點的直流偏壓與電流值(參閱8-3-2節自給式偏壓理論公式),並將計算結果填入表8-11 電流與電壓的理論值中。

步驟6 : 比較表8-11 中各項測量值與理論值是否接近?(填是或否) 是 。*表8-11  共源極固定式偏壓電路測量與理論值

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第 8 章 場效電晶體之特性實驗 23

接腳項目 閘極 汲極 源極

電流

測量值 IG =   0A ID =   1mA   IS =   1mA  

理論值 IG = 0A

ID =

=  1.2mA   IS =ID=  1.2mA  

電壓測量

值VG = 0A  

VD =   11.04V   VS =   1V   理論

值 VG = 0VVD =VDD -IDRD=   11.47V  

VS =IDRS=   1.07V

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24 第 8 章 場效電晶體之特性實驗

第 3 部 分   探 究 問 題1. 這是電晶體 2SK30A 資料手冊中的一段文字,請看完後寫出它的意義。*TOSHIBA FIELD EFFECT TRASISTOR SILICON CHANNEL JUNCTION

TYPE*LOW NOISE PRE-AMPLIFIER,TONE CONTROL AMPLIFIER AND

DC-AC HIGH INPUT IMPAEMDANCE AMPLIFIER CIRCUIT APPLICATIONS*HIGH BRADKDOWN VOLTAGE: VGDS =-50V*HIGH INPUT IMPAEMDANCE: IGSS =-1nA(max.)(VGS =-30V)

說明:*2SK30A 是TOSHIBA 矽通道接面型場效電晶體。*2SK30A 可以應用在低雜訊前置放大器、音質控制放大器以及DC-AC

高輸入阻抗放大器。*2SK30A 具有高崩潰電壓:VGDS =-50V*2SK30A 具有高輸入阻抗:IGSS =-1nA(max.)(VGS =-30V)

第 4 部 分   實 習 心 得