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8

8-1 增強型之特性與

偏壓

8-2 空乏型之特性與

偏壓

8-3 接面場效電晶體之特性與

偏壓

8-4 與之功能特性比較

重點掃描

習題探討

場效電晶體（FET）和雙極性接面電晶體

（BJT），都具有受控電源流特性和受控開關特

性，但不同的是，BJT是藉由基射端電壓Vbe，改

變 Ib、Ie大小，進而控制輸出電流 Ic，故稱為“電

流控制”電晶體；FET則是藉由閘源端電壓Vgs，

改變閘源極電場，進而控制輸出電流 Id，故稱為

“電場效應”電晶體。

認識不同的場效電晶體。

瞭解場效電晶體的特性及架構。

能分析推導場效電晶體的直流偏壓。

瞭解場效電晶體的基本功用。

能比較與之優缺點。

電子學 II

92

第一節增強型MOSFET之特性與偏壓

FET可分為MOSFET與 JFET，MOSFET可分為增強型與空乏型。

之夾止飽和電流 ID = k×(VGS VGS t )2。

電晶體的主要分類，除了雙極性接面電晶體（Bipolar Junction Transistor，

BJT）之外，還有場效電晶體（Field Effect Transistor，FET）。由圖 8-1常見電

晶體的分類可知，FET可分為兩大類：

控制閘為絕緣型的金屬氧化半導體場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor

FET，MOSFET），又分為增強型（enhancement），與空乏型（depletion）

兩種。

控制閘為接面型的接面場效電晶體（Junction FET，JFET）。

無論何種 FET都有 N通道與 P通道之分。雖然 FET種類較多，但是其方

程式與特性都很類似，且 FET 輸入電阻極大，輸入電流為 0，所示實際應用

分析，比 BJT簡單很多。

圖 8-1 常見電晶體的分類

第 8章場效電晶體之特性與偏壓

93

1 增強型MOSFET之物理結構與電路符號

圖 8-2(a)為 N通道增強型 MOSFET（簡稱 E-MOSFET）的物理結構，

圖中所示在一個 P 型半導體的基體（substrate）上，植入兩個高摻雜濃度

的 N 型半導體（以 N+表示），並鍍上一層導體，以導線引出作為汲極

（drain）簡稱 D極與源極（source）簡稱 S 極，另外在汲極與源極間的

P型基體上，先鍍上一層二氧化矽（）的絕緣材料後，再鍍上一層導

體以導線引出作為閘極（gate）簡稱G極，至於P型基體所引出的基底極

（body）簡稱B極，是為確保基體對汲極與源極保持逆偏隔離關係而設，

因此平常必須接上負電壓（對 N通道MOSFET而言），或與源極相接。

圖 8-2(b)為其電路符號，圖中基底極與源極相接，其箭頭方向，乃指

P 型基底指向 N 型通道，如同 NPN 電晶體電路符號，其箭頭標示即為

P指向 N。圖 8-2(c)為簡化之電路符號，箭頭方向表示電流由源極流出。

MOSFET因汲極與源極為對稱關係，故理論上是可對調使用，此和BJT之集極與射極不

同。但實際上，若汲極已和源極相接時，則汲極與源極不可對調使用。

(a)物理結構 (b)電路符號 (c)簡化電路符號

圖 8-2 N通道增強型MOSFET

電子學 II

94


圖 8-3 P通道增強型MOSFET

圖 8-3為 P通道增強型MOSFET，其物理結構與 N通道大同小異，主

要差別在於傳導載子不同，N通道所傳導的載子為電子，而P通道所傳導

的載子為電洞。是故，P 通道增強型 MOSFET 的基體為 N 型，汲源極為

高摻雜濃度的 P 型半導體（以表示），電路符號之箭頭方向與 N 通道

相反，其餘結構則與 N通道相同。

2 增強型MOSFET之工作模式與特性曲線

對 MOSFET而言，不管是 N通道或是 P通道，其工作原理相同，但

是傳導載子不同，所以產生的電流方向與電壓方向皆相反。由於 N 通道

傳導載子為電子，其移動率較高，速度較快，所以實用上大都是以 N 通

道為主。

1 工作原理

N通道增強型MOSFET，由於N型區的汲極與源極，隔著 P型基

體，所以汲極與源極內的電子無法越過P型基體而流通。但是當我們

在閘源極間和汲源極間，接上正電壓 VGS 與 VDS 時，如圖 8-4(a)所示，

閘極與基體間因外加電壓，而形成一個強大電場，此電場效應會使

P型基體內的電子（P型半導體內的少數載子），因受到閘極正電壓

的吸引，而聚集於二氧化矽層下。


95

當閘源極的 VGS 電壓增大時，被吸引聚集在二氧化矽層下的電子

數目會增加，直到 VGS 電壓大於臨界電壓（threshold voltage）VGS t（一

般約為 1～3伏特左右）時，聚集的電子會形成一個 N型區的通道，

如圖 8-4(b)所示，此時源極區內的電子便可經由此通道而到達汲極

區，形成 ID 電流。當 VGS 持續增大時，通道會越高（註：通道高度

表示為橫向），通道電阻會變小，使得 ID 電流變大。

由上述說明，可知 MOSFET 的基本工作原理為：利用閘極輸入

VGS 電壓產生之電場效應，來控制汲源極之輸出電流 ID 與 IS。因閘

極與 N 通道間，隔著一層二氧化矽的絕緣體，所以閘極不會有任何

輸入電流流入通道，即 IG = 0，也因此源極電流等於汲極電流，即

IS = IG + ID = ID。

(a)電子被吸引聚集在二氧化矽層下 (b) N通道的形成

圖 8-4 N通道增強型MOSFET的工作原理

截止區工作模式：VGS VGS t，VGD VGS t

當 VGS VGS t 與 VGD VGS t 時，DS極間的 N通道無法形成，輸

出電流 ID = 0，MOSFET形同斷路現象，N通道增強型為截止區工作

模式。

歐姆區工作模式：VGS > VGS t，VGD > VGS t

當閘極控制電壓 VGS大於臨界電壓 VGS t 形成 N通道，且VGS VDS

> VGS t 時，使得VGS > VGS t 與 VGD > VGS t，N通道增強型MOSFET為歐

姆區工作模式。

電子學 II

96

若汲源極電壓 VDS 很小，即 VGD = (VGS VDS) VGS 時，增大輸入閘

極控制電壓 VGS，將使得DS極間因聚集電子所形成的通道高度增加，

並且等高，如圖 8-5(a)(b)所示。此時，DS極之 VDS-ID 輸出特性，如同

線性電阻般，隨著控制電壓 VGS 的增大而變小（因為通道高度H變高

將使得通道截面積 A = W×H 變大，即電阻RDS = ×LA變小），如圖

8-5(c)所示。

圖 8-5(c)顯示 VDS-ID 輸出特性曲線之斜率 =IDSVDS

=1RDS，與控制電

壓 VGS 成正比，也就是說控制電壓 VGS 與 RDS 等效電阻成反比關係，

即VGS 變大時，RDS 變小，反之亦然。

(a)等高的 N通道 (b)通道立體圖 (c) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-5 N通道增強型MOSFET之歐姆區工作模式：VDS很小時之線性電阻特性

如果在閘源極電壓 VGS 不變下，加大汲源極電壓 VDS，則 VGD =

( VGS VDS) < VGS，使得靠近 D 極端電場較小、被吸引的聚集電子變

少，形成的通道高度小於 S極端，如圖 8-6(a)(b)所示梯形通道。由於

DS 極兩邊的通道高度不等高，所以VDS-ID 輸出特性，變成非線性電

阻特性，即 ID 隨 VDS 的增加而增加，但為非線性且趨緩的增加，如

圖 8-6(c)所示。


97

(a)不等高的 N通道 (b)通道立體圖 (c) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-6 N通道增強型MOSFET之歐姆區工作模式：VDS變大時之非線性電阻特性

夾止飽和區工作模式：VGS > VGS t，VGD VGS t

同上情形，若再持續增加 VDS 的電壓，則 D 極端的通道會慢慢

地趨近於 0，但不會為 0，因為當 D極端的通道高度持續減少時，其

相對通道截面積也減少，D極端的導通電流密度也隨之升高，G極靠

近 D 極端的電子載子可適時的獲得補充，此時通道高度不再減少而

維持一定，電流也不再繼續增加而維持一定，此現象如同通道被夾

止、電流呈現飽和，稱為夾止飽和狀態，如圖 8-7(a)(b)所示。

因此可知，當VGS >VGS t，VGD VGS t，（或表示為VDS VGS VGS t）

時，N 通道增強型 MOSFET 為夾止飽和區工作模式，此時通道上 ID

的電流為定值，不會隨 VDS 而改變，如圖 8-7(c)所示。

(a) D極端夾止的 N通道 (b)通道立體圖 (c) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-7 N通道增強型MOSFET之夾止飽和區工作模式

電子學 II

98

2 特性曲線

由上述分析，可知增強型MOSFET的端點電流關係為

IG = 0 8-1

IS = IG + ID = ID 8-2

圖 8-8(a)為 N通道增強型MOSFET之輸出VDS-ID 特性曲線，圖中

虛線VGD = VGS t（或表示為VDS = VGS VGS t）所標示的右方為夾止飽和

區（VGD VGS t），又稱為主動區。在虛線之左方為歐姆區（VGD

VGS t），下方則為截止區。

歐姆區之輸出電流 ID與 VGS和 VDS皆有關，但已超出課程範圍，故省略之，有興趣同學

請參閱相關書籍。

在夾止飽和區內的輸出電流 ID 具有定電流特性，與 VDS 大小無

關，但隨輸入 VGS 的變大而變大，其輸入輸出之 VGS-ID 特性曲線如圖

8-8(b)，直流等效電路如圖 8-8(c)，由半導體物理學證明可得，夾止飽

和區之輸出電流

ID = k×(VGS VGS t )2

8-3

其中 VGS t 為通道導通所須之臨界電壓，而 k為一物理結構參數

值，其值正比於通道寬度 W，反比於為通道長度 L，即

kWL

8-4


99

(a) VDS-ID 輸出特性曲線 (b) VGS-ID 輸入輸出特性曲線 (c)直流等效電路

圖 8-8 N通道增強型MOSFET之特性曲線

對於P通道增強型MOSFET而言，輸入控制電壓 VGS 與輸出電壓

VDS，必須加上負電壓，如此才能吸引 N型基體的電洞，聚集於二氣

化矽層下形成P通道。當通道形成後，源極的電洞即可傳導至汲極，

形成 ID 電流，因此可知，P 通道之電壓與電流方向，皆與 N通道相

反，即輸出電流 ID 由 D極端流出，輸入電壓 VGS 與 VDS 輸出電壓為

負電壓，其特性曲線與直流等效電路，如圖 8-9所示。

若將圖 8-9之座標改為 VSD 與 VSG，且 VGS t 改為 VSG t 時，P通道增強型MOSFET之特

性曲線方向與圖 8-8之 N通道相同。


圖 8-9 P通道增強型MOSFET之特性曲線

電子學 II

100

8-1已知增強型MOSFET之臨界電壓 VGS t = 1V，試求圖 8-10(a)(b)(c)

之工作模式各為何？

(a) (b) (c)

圖 8-10 例題 8-1的圖

圖 8-10(a)工作於截止區模式，因

(VGS = VG VS = 5V 4.5V = 0.5V) (VGS t = 1V)

(VGD = VG VD = 5V 6V = 1V) (VGS t = 1V)

圖 8-10(b)工作於歐姆區模式，因

(VGS = VG VS = 3.5V 1.5V = 2V) > (VGS t = 1V)

(VGD = VG VD = 3.5V 2.2V = 1.3V) > (VGS t = 1V)

圖 8-10(c)工作於夾止飽和區模式，因

(VGS = VG VS = 2V 0.5V = 1.5V) > (VGS t = 1V)

(VGD = VG VD = 2V 5V = 3V) (VGS t = 1V)

已知 P通道增強型MOSFET之臨界電壓 VGS t = 1V，試求圖 8-11

(a)(b)(c)之工作模式各為何？

(a) (c) (d)

圖 8-11 練習 1的圖


101

8-2已知 N 通道增強型 MOSFET 工作於夾止飽和區，若VGS = 4V，

VGS t = 1V，參數 k = 0.5mA/ ，試求輸出電流 ID =？

ID = k×(VGS VGS t ) = 0.5 ×(4V 1V) = 4.5mA

已知N通道增強型MOSFET工作於夾止飽和區，若VGS = 3V，VGS t

= 2V，參數 k = 2mA/ ，試求輸出電流 ID =？

8-3同例題 8-2，若將通道的寬度增寬一倍，而長度縮短一半，試求

輸出電流 ID =？

ID2ID1

W2 / L2W1 / L1

=2W1 / 0.5L1W1 /L1

= 4

ID2 = 4×ID1 = 4×4.5mA = 18mA

同練習 2，若將通道的寬度縮窄一半，而長度增加一倍，試求輸

出電流 ID =？

8-4已知E-MOSFET工作於夾止飽和區，且VGS t = 0.5V。若 VGS = 1.5V

時，ID = 4mA，試求 VGS = 2.5V時，ID =？

ID = 4mA = k×(1.5 0.5V) = k×(1V)

k = 4

ID = k×(VGS VGS t ) = 4 ×(2.5V 0.5V) = 16mA

電子學 II

102

已知 E-MOSFET工作於夾止飽和區，且 VGS t = 1V。若 VGS = 4V

時，ID = 18mA，試求 VGS = 3V時，ID =？

3 增強型MOSFET之直流偏壓

FET和BJT一樣，不同直流偏壓工作點，決定不同的工作模式。FET

之輸出直流偏壓工作點 Q (VDSQ , IDQ)，若位於夾止飽和區（又稱主動區）

時，其輸出電流 ID 只與輸入電壓 VGS 有關。

E-MOSFET夾止飽和區直流偏壓工作點 Q (VDSQ , IDQ)之求解步驟為：

求出輸入電壓值 VGS 或關係式。

代入輸出電流公式 ID = k×(VGS VGS t ) 。

由輸出迴路求出VDS。

驗證 VGS > VGS t，VGD VGS t 是否成立。

上述步驟驗證結果：若為 VGS VGS t，Q點位於截止區，輸出電流 ID = 0；若 VGS >

VGS t，VGD > VGS t ，Q點位於歐姆區，輸出電流 ID 與 VGS 和 VDS皆有關，但已超出課程

範圍，故省略之，有興趣同學請參閱相關書籍。

1 固定式偏壓電路

圖 8-12(a)為固定式偏壓電路，因為輸入閘極電流 IG = 0，RG上沒

有壓降，所以閘極電壓等於VGG，即VG = VGG IG×RG = VGG 0×RG =

VGG，如圖 8-12(b)所示直流等效電路。因此可得閘源極電壓

VGS = VG VS = VGG 0 = VGG 8-5

代入夾止飽和區輸出電流公式，可得 ID = k×(VGS VGS t )。

由輸出迴路，可得輸出汲源極電壓


103

VDS = VDD ID×RD 8-6

(a)固式偏壓電路 (b)直流等效電路

圖 8-12 N通道 E-MOSFET固定式偏壓

8-5試求圖 8-12之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知

k = 0.5mA/ ，VGS t = 1V。

VGS = VGG = 3V

假設 E-MOSFET工作於夾止飽和區，則

ID = k×(VGS VGS t ) = 0.5 ×(3V 1V) = 2mA

VDS = VDD ID×RD = 9V 2mA×3k = 3V

驗證：

(VGS = VGG = 3V) > (VGS t = 1V)

(VGD = VGS VDS = 3V 3V = 0V) (VGS t = 1V)

E-MOSFET確實工作於夾止飽和區，假設成立。

直流偏壓工作點 IDQ = 2mA，VDSQ = 4V。

試求圖 8-12 之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ )？已知

k = 1.5mA/ ，VGS t = 2V。

電子學 II

104

2 分壓式偏壓電路

(a)分壓式偏壓電路 (b)戴維寧化簡等效電路

圖 8-13 N通道 E-MOSFET分壓式偏壓

圖 8-12(a)為分壓式偏壓電路，將輸入之分壓電路取戴維寧等效

電路，如圖 8-12(b)所示，可得 Vth = VDD×RG2

RG1+RG2，Rth = RG1 // RG2。

因為輸入閘極電流 IG = 0，Rth上沒有壓降，所以閘極電壓等於戴

維寧等效電壓，即 VG = Vth IG×Rth = Vth 0×Rth = Vth。因此可得閘源

極電壓

VGS = VG VS = Vth 0 = VDD×RG2

RG1+RG28-7


由輸出迴路，可得輸出汲源極電壓 VDS = VDD ID×RD。


105

8-6試求圖 8-14(a)(b)(c)之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知

k = 1mA/ ，VGS t = 2V。

(a) (b) (c)

圖 8-14 例題 8-6的圖

圖 8-14(a)：

VGS = Vth = VDD×RG2

RG1+RG2= 10V× = 4V


ID = k×(VGS VGS t ) = 1 ×(4V 2V) = 4mA


驗證：

(VGS = 4V) > (VGS t = 2V)




圖 8-14(b)：

VGS = Vth = VDD×RG2

RG1+RG2= 10V× = 1V

驗證：

(VGS = 1V) (VGS t = 2V)

E-MOSFET工作於截止區，假設不成立。

直流偏壓工作點 IDQ = 0，VDSQ = 10V 0×1k = 10V。

電子學 II

106

圖 8-14(c)：

VGS = VDD×RG2

RG1 +RG2= 10V× = 4V


ID = k×(VGS VGS t ) = 1 ×(4V 2V) = 4mA

VDS = VDD ID×RD = 10V 4mA×2.2k = 1.2V

驗證：

VGS = 4V > VGS t

VGD = VGS VDS = 4V 1.2V = 2.8V > VGS t

E-MOSFET工作於歐姆區，假設不成立 ID≠4mA，VDS≠1.2V。

（註：歐姆區之電流公式較為困難，故省略之。）

試求圖 8-14(a)(b)(c)之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知

k = 0.5mA/ ，VGS t = 1V。

3 含源極電阻之分壓式偏壓電路

圖 8-15(a)為含源極電阻 RS之分壓式偏壓電路，加入源極電阻 RS，

可提高直流工作點的穩定度，類似 BJT電路中之 RE 電阻。圖 8-15(b)

為戴維寧化簡等效電路，因 IG = 0， Rth 上沒有壓降，VG = Vth，可得

閘源極電壓

VGS = VG VS = Vth IS×RS = VDD×RG2

RG1+RG2ID×RS 8-8


由輸出迴路，可得輸出汲源極電壓

VDS = VDD ID×RD IS×RS = VDD ID×(RD + RS) 8-9


107


圖 8-15 N通道 E-MOSFET含源極電阻 RS之分壓式偏壓

8-7試求圖 8-15 之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ )？已知

k = 0.5mA/ ，VGS t = 2V。

Vth = VDD×RG2

RG1+RG2= 12V× = 6V

VGS = Vth ID×RS = 6V ID×1k = (6 ID) V，ID單位為 mA。


ID = k×(VGS VGS t ) = 0.5×(6 ID 2) = 0.5×(4 ID)

= 0.5×(16 8ID + ID )

2ID = 16 8ID + ID

ID 10ID + 16 = 0

利用數學一元二次方程式解aID + bID + c = 0，可得

ID =b b2 4ac

2a=10 102 4×1×16

2=10 36

2=10 62

(mA)

ID = 8mA或 ID = 2mA。

若 ID = 8mA時，VDS = VDD ID×(RD + RS) = 12V 8mA×3k = 12V < 0V

（不合理），故

ID = 2mA

VDS = VDD ID×(RD + RS) = 12V 2mA×3k = 6V

電子學 II

108

驗證：

(VGS = Vth ID×RS = 6V 2mA×1k = 4V) > (VGS t = 2V)





k = 0.25mA/ ，VGS t = 3V。

4 汲極回授式偏壓電路

圖 8-16 為汲極回授式偏壓電路，可提高直流工作點的穩定度，

類似 BJT電路中之集極回授式電路。因 IG = 0，RG上沒有壓降，可得

閘源極電壓

VGS = VDS = VDD ID×RD 8-10


由輸出迴路，可得輸出汲源極電壓 VDS = VDD ID×RD。

觀察圖 8-16汲極回授式偏壓電路，因 VGD = VGS VDS = 0 必小於

VGS t，故此電路導通時，一定工作於夾止飽和區。

圖 8-16 N通道 E-MOSFET含汲極回授式偏壓


109

8-8試求圖 8-16 之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ )？已知

k = 1.5mA/ ，VGS t = 1V。

VGS = VDS = VDD ID×RD = 5V ID×2k = (5 2ID)V，ID單位為 mA。


ID = k×(VGS VGS t ) = 1.5×(5 2ID 1)2 = 1.5×(4 2ID)2

= 1.5×(16 16ID + 4ID2)

ID = 24 24ID + 6ID

6ID 25ID + 24 = 0

利用數學一元二次方程式解 aID + bID + c = 0，可得

ID =b b2 4ac

2a=25 252 4×6×24

12=25 4912

=25 712

(mA)

ID =83mA或 ID =

32mA。

若 ID =83mA時，VDS = VDD ID×RD = 5V

83mA×2k =

13V < 0V


ID =32mA

VDS = VDD ID×RD = 5V32mA×2k = 2V

驗證：

(VGS = VDS = 2V) > (VGS t = 1V)



直流偏壓工作點 IDQ = 1.5mA，VDSQ = 2V。


k =1mA/ ，VGS t = 2V。

電子學 II

110

( ) 增強型MOSFET工作於夾止飽和區時，其輸出電流關係式為

(A) ID = k×(VGS VGS t )2 (B) ID = k×(VGS VGS t )

(C) ID = k2×(VGS VGS t ) (D) ID =

k2×(VGS VGS t )。

( ) 增強型MOSFET之物理結構參數與通道寬度與長度關係為

(A) kLW

(B) k W×L (C) kWL

(D) k (WL)2。

( ) 已知 N通道增強型MOSFET之臨界電壓 VGS t = 1V，若 VG = 3V、VS =

1.5V、VD = 4V，則工作模式為何？ (A)夾止飽和區模式

(B)歐姆區模式 (C)截止區模式 (D)電阻區模式。

( ) 已知 P通道增強型MOSFET工作於夾止飽和區，若 VGS = 4V，VSG t =

2V，參數 k = 1mA/V2，則輸出電流 ID =？

(A)1mA (B)2mA (C)4mA (D)6mA。

思考題目是供讀者自我挑戰，這些題目可能超出本書內容，你可能現在

不會，不過希望讀者將來都能解答之。

1

試求圖 8-17之工作模式及直流工作點Q (VDSQ , IDQ)？已知 k=0.75mA/ ，

VGS t = 2V。

圖 8-17 思考題 1的圖


111

第二節空乏型MOSFET之特性與偏壓

空乏型MOSFET有預置通道。

D-MOSFET之夾止飽和電流 ID = IDSS× 1VGSVGS p

)2，k =IDSSVGS p2 。

1 空乏型MOSFET之物理結構與電路符號

N通道空乏型MOSFET（簡稱D-MOSFET）之汲極與源極間，在未加

任何偏壓時，就已經存在 N通道可傳導電子。但是，增強型 MOSFET的

通道，在控制電壓 VGS 未大於臨界電壓 VGS t 時，是不存在的。圖 8-18為

N 通道空乏型 MOSFET 的物理結構圖、電路符號和簡化電路符號。至於

P通道空乏型MOSFET，則如圖 8-19所示。


圖 8-18 N通道空乏型MOSFET


圖 8-19 P通道空乏型MOSFET

電子學 II

112

2 空乏型MOSFET之工作模式與特性曲線

1 工作原理

N 通道空乏型 MOSFET 在未加任何偏壓時，就已經存在通道，

為能控制其通道大小，控制閘極電壓 VGS 在正常情況下，是加上負偏

壓來改變其通道大小。負偏壓 VGS 所形成的電場效應，會吸引電洞聚

集於二氧化矽層下，如圖 8-20(a)所示。被吸引的電洞會與 N 通道內

的電子結合，形成空乏區，如圖 8-20(b)所示。當空乏區形成時，通

道高度會變小，而流過的電流 ID 也會變小。

(a)電洞被吸引聚集在二氧化矽層下 (b)空乏區的形成

圖 8-20 N通道空乏型MOSFET的工作原理

截止區工作模式：VGS VGS p，VGD VGS p

當閘源極電壓 VGS 與閘汲極電壓 VGD，皆比夾止電壓（pinch-off

voltage）VGS p 還要更負時，即 VGS VGS p，VGD VGS p 時，將使空乏

區佔滿整個 N 通道，此時通道完全夾止，形同斷路，N 通道空乏型

MOSFET為截止區工作模式，如圖 8-21所示。

當 VGS VGS p 時，因 VDS > 0，所以VGD = VGS VDS 必小於 VGS p。


113

圖 8-21 N通道空乏型MOSFET之截止區工作模式：通道完全夾止

歐姆區工作模式：VGS > VGS p，VGD > VGS p

當 VGS > VGS p 與 VGD > VGS p 時，N通道空乏型MOSFET為歐姆區

工作模式。此時，若汲源極電壓 VDS 很小，即VGD = (VGS VDS) VGS，

若加大輸入閘極 VGS 之負電壓（即電壓愈負），將使空乏區變得更

大，通道高度變得更小，電流 ID 也變得更小。

因為 VGD = VGS VDS VGS，所以 D極端與 S極端，產生的空乏區

等高，相對地，通道高度也等高，如圖 8-22(a)所示。此時 VDS-ID 輸出

特性，如同線性電阻般，隨著控制電壓愈負而電阻愈大（斜率愈

小），如圖 8-22(b)所示。

(a)等高的 N通道 (b) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-22 N通道空乏型MOSFET之歐姆區工作模式：VDS很小時之線性電阻特性

電子學 II

114

如果在閘源極電壓 VGS 不變下，加大汲源極電壓 VDS，使得VGD =

(VGS VDS) < VGS，使得靠近D極端空乏區變大，通道高度小於 S極端，

如圖 8-23(a)所示梯形通道。由於DS極兩邊的通道高度不等高，此時

VDS-ID 輸出特性，變成非線性電阻特性，如圖 8-23(b)所示。

(a)不等高的 N通道 (b) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-23 N通道空乏型MOSFET之歐姆區工作模式：VDS變大時之非線性電阻特性

夾止飽和區工作模式：VGS > VGS p，VGD VGS p

同上情形，若再持續增加 VDS 的電壓，使 VGD 電壓愈負，D極端

的空乏區愈大，通道愈小。當 VGD VGS p 時，D極端的通道高度夾止

時，電流呈現飽和，為夾止飽和狀態，如圖 8-24(a)所示。

故當 VGS > VGS p，VGD VGS p（或表示為VDS VGS VGS p ）時，

N 通道空乏型 MOSFET 為夾止飽合區工作模式，此時通道上的電流

ID 為定值，不會隨 VDS 而改變，如圖 8-24(b)所示。

(a) D極端夾止的 N通道 (b) VDS-ID輸出特性曲線

圖 8-24 N通道空乏型MOSFET之夾止飽和區工作模式


115

2 特性曲線

圖 8-25(a)為 N通道空乏型 MOSFET之輸出 VDS-ID 特性曲線，圖

中虛線VGD = VGS p（或表示為 VDS = VGS VGS p）所標示的右方為夾止

飽和區（VGD VGS p），又稱為主動區。在虛線之左方為歐姆區（VGD

VGS p），下方則為截止區。

在夾止飽和區內的輸出電流具有定電流 ID 特性，與 VDS 大小無

關，但隨輸入VGS的變大而變大，其輸入輸出之 VGS-ID 特性曲線如圖

8-25(b)，直流等效電路如圖 8-25(c)。

在圖 8-25(b)中，當VGS > 0 時，通道會變得比原來大，此時空乏型MOSFET將變成增強

型特性，而非空乏型特性，所以對於 N 通道空乏型 MOSFET 而言，閘極控制電壓 VGS

在正常情形下應加負偏壓。

由半導體物理學證明可得，夾止飽和區之輸出電流

ID = IDSS× 1VGSVGS p

)2 8-11

其中 VGS p 為夾止電壓，IDSS 為 VGS = 0且 VGD VGS p（即 VDS |VGS p |）

時，DS端之夾止飽和電流。

VGD VGS p VGS VDS VGS p 0 VDS VGS p VDS |VGS p |。


圖 8-25 N通道空乏型MOSFET之特性曲線

電子學 II

116

對於 P通道空乏型MOSFET而言，輸入控制電壓 VGS，必須加上

正電壓，如此才能吸引 N 型基體的電子，與 P 通道內的電洞結合，

形成空乏區，改變P通道大小，控制 ID 電流大小。因此可知，P通道

之電壓與電流方向，皆與 N 通道相反，即輸出電流 ID 由 D 極端流

出，輸入電壓 VGS 為正電壓，而輸出電壓 VDS 為負電壓，其特性曲線

與直流等效電路，如圖 8-26所示。


圖 8-26 P通道空乏型MOSFET之特性曲線

增強型 MOSFET 與空乏型 MOSFET 唯一不同點是：增強型沒有

預置通道，而空乏型有預置通道，所以對於 N 通道 MOSFET 而言，

增強型之控制閘極電壓 VGS 要為正，才能感應通道、控制電流大小；

空乏型之控制閘極電壓 VGS 要為負，才能限制通道、控制電流大小。

故比較其特性曲線，可發現兩者之 VGS t 與 VGS p 相雷同，而夾止飽和

區輸出電流公式應對等，即

ID（增強型）= k×(VGS VGS t ) = ID（空乏型）= IDSS× 1VGSVGS p

)2

化簡上式可得

IDSS× 1VGSVGS p

)2 =IDSSVGS p2 × (VGS p VGS) =

IDSSVGS p2 × (VGS VGS p )

比較上下兩式，可得

k =IDSSVGS p2

8-12


117

8-9已知N通道空乏型MOSFET之夾止電壓 VGS p = 3V，試求圖 8-27


(a) (b) (c)

圖 8-27 例題 8-9的圖

圖 8-27(a)工作於夾止飽和區模式，因

(VGS = VG VS = 1V 0V = 1V) > (VGS p = 3V)

(VGD = VG VD = 1V 6V = 7V) (VGS p = 3V)

圖 8-27(b)工作於歐姆區模式，因


(VGD = VG VD = 0V 2.5V = 2.5V) > (VGS p = 3V)

圖 8-27(c)工作於截止區模式，因

(VGS = VG VS = 1V 5.5V = 4.5V) (VGS p = 3V)


已知 P通道空乏型MOSFET之夾止電壓 VGS p = 3V，試求圖 8-28


(a) (c) (d)

圖 8-28 練習 9的圖

電子學 II

118

8-10已知N通道空乏型MOSFET工作於夾止飽和區，而其VGS = 2V，

VGS p = 4V，飽和電流 IDSS = 12mA，試求輸出電流 ID =？


)2 = 12mA× 1 )2 = 3mA。

已知N通道空乏型MOSFET工作於夾止飽和區，而其 VGS = 1V，

VGS p = 5V，飽和電流 IDSS = 2.5mA，試求輸出電流 ID =？

8-11同例題 8-10，試求空乏型 MOSFET 之參數 k 值？並以增強型公

式，求輸出電流 ID =？

k =IDSSVGS p2 = = 0.75

ID = k× (VGS VGS p )2 = 0.75× 2 4 2 = 3mA

上式結果與例題 8-10相同。

同練習 10，試求空乏型MOSFET之參數 k值？並以增強型公式，

求輸出電流 ID =？


119

3 空乏型MOSFET之直流偏壓

D-MOSFET夾止飽和區直流偏壓工作點 Q (VDSQ , IDQ)之求解步驟為：

求出輸入電壓 VGS 值或關係式。

代入輸出電流公式 ID = IDSS× 1VGSVGS p

)2 或 ID = k× (VGS VGS p )2。

由輸出迴路求出 VDS。

驗證 VGS > VGS p，VGD VGS p 是否成立。


8-12試求圖 8-29 N通道 D-MOSFET 固定式

偏壓電路之工作模式及直流工作點Q(VDS , IDQ)？

已知 IDSS = 9mA，VGS p = 3V。

VGS = VGG = 2V

假設 D-MOSFET工作於夾止飽和區，則


)2 = 9mA× 1 )2

= 1mA

VDS = VDD ID×RD = 12V 1mA×6k = 6V 圖 8-29 N通道 D-MOSFET

固定式偏壓電路驗證：

(VGS = VGG = 2V) > (VGS p = 3V)

(VGD = VGS VDS = 2V 6V = 4V) (VGS p = 3V)

D -MOSFET確實工作於夾止飽和區，假設成立。


試求圖 8-29之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知 IDSS =

6mA，VGS p = 4V。

電子學 II

120

8-13試求圖 8-30之工作模式及直流工作點

Q (VDSQ , IDQ)？已知 IDSS = 5mA，VGS p = 4.5V。

圖 8-30 為無閘極電壓之固定式偏壓電路，又稱零偏

壓電路，其

VGS = 0V



)2 = IDSS× 10

VGS p)2

= IDSS = 5mA 圖 8-30 零偏壓電路


驗證：

(VGS = 0V) > (VGS p = 4.5V)

(VGD = VGS VDS = 0V 10V = 10V) (VGS p = 4.5V)

D-MOSFET確實工作於夾止飽和區，假設成立。


試求圖 8-30之工作模式？已知 IDSS = 9mA，VGS p = 4.5V。

2 自給式偏壓電路

圖 8-31(a)為自給式偏壓電路，因 IG = 0，RG上沒有壓降，VG = 0V，

可得閘源極電壓

VGS = VG VS = 0 IS×RS = ID×RS 8-13

代入夾止飽和區輸出電流公式，可得 ID = IDSS× 1VGSVGS p

)2或

ID = k× (VGS VGS p )2。


121

由輸出迴路，可得輸出汲源極電壓 VDS = VDD ID×(RD+RS)。

圖 8-31 N通道 D-MOSFET自給式偏壓

8-14試求圖 8-31之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知 IDSS =

8mA，VGS p = 4V。

VGS = ID×RS = ID×1k = ( ID) V，ID單位為 mA。



)2 = 8× 1ID4)2 = 8×(1

ID2+I 2D

16)

ID =816×(16 8ID + ID

2) =12×(16 8ID + ID

2)。

2ID = 16 8ID + ID2

ID2 10ID + 16 = 0

也可由 ID = k× (VGS VGS p )2 =

VDSSV2GS p

× (VGS VGS p )2求得上式。

利用數學一元二次方程式解 aID2 + bID + c = 0，可得

ID =b b2 4ac

2a=10 102 4×1×16

2=10 36

2=10 62

(mA)

ID = 8mA或 ID = 2mA。

若 ID = 8mA時，VDS = VDD ID× (RD + RS) = 15V 8mA×4k = 17V < 0V


ID = 2mA

VDS = VDD ID× (RD + RS) = 15V 2mA×4k = 7V

電子學 II

122

驗證：

(VGS = ID×RS = 2mA×1k = 2V) > (VGS p = 4V)





2.25mA，VGS p = 3V。


圖 8-32(a)為 N 通道 D-MOSFET 分壓式偏壓電路，圖 8-32(b)為戴

維寧等效電路，因 IG = 0，Rth上沒有壓降，VG = Vth，可得閘源極電壓

VGS = VG VS = Vth IS×RS = VDD×RG2

RG1+RG2ID×RS

代入夾止飽和區輸出電流公式 ID = IDSS×(1VGSVGS p

)2或 ID = k× (VGS

VGS p )2，得輸出汲源極電壓

VDS = VDD ID×RD IS×RS = VDD ID×(RD + RS)

上述分析與 E-MOSFET分壓式偏壓電路類同。


圖 8-32 N通道 D-MOSFET分壓式偏壓


123

8-15試求圖 8-32 之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知IDSS =

12mA，VGS p = 4V。

Vth = VDD×RG2

RG1+RG2= 20V× = 1V

VGS = Vth ID×RS = 1V ID×1k = (1 ID) V，ID 單位為 mA。


ID = k× (VGS VGS p )2 =

IDSSV2GS p

× (VGS VGS p )2 =

124 2×(1 ID ( 4))2

ID =34×(5 ID)

2 4ID = 3×(25 10ID + ID2) 4ID = 75 30ID + 3ID

2

3ID2 34ID + 75 = 0

利用數學一元二次方程式解 aID2 + bID + c = 0，可得

ID =b b2 4ac

2a=34 342 4×3×75

2×3=34 256

6=34 166

(mA)

ID =253mA或 ID = 3mA。

若 ID =253mA時，

VDS = VDD ID× (RD + RS) = 20V253mA×3k = 5V < 0V（不合理），故

ID = 3mA

VDS = VDD ID× (RD + RS) = 20V 3mA×3k = 11V

驗證：

(VGS = Vth ID×RS = 1V 3mA×1k = 2V) > (VGS p = 4V)





258mA，VGS p = 5V。

電子學 II

124

( ) 空乏型MOSFET工作於夾止飽和區時，其輸出電流關係式為

(A) ID = IDSS×(1VGSVGS p

)2 (B) ID = IDSS×(1VGSVGS p

)

(C) ID = IDSS2 ×(1

VGSVGS p

) (D) ID = k×(1VGSVGS p

)2。

( ) 空乏型MOSFET工作於夾止飽和區時，其輸出電流關係式為 ID = k×

(VGS VGS p )2 時，其 k 值為 (A) k =

IDSSVGS p

(B) k =IDSSV2GS p

(C) k =I2DSSVGS p

(D) k = (IDSSVGS p

)2。

( ) 已知 N通道空乏型MOSFET之夾止電壓 VGS p = 1V，若VG = 1V、

VS = 1.5V、VD = 4V，則工作模式為何？ (A)夾止飽和區模式

(B)歐姆區模式 (C)截止區模式 (D)增強區模式。

( ) 已知 P通道空乏型MOSFET工作於夾止飽和區，若VGS = 2V， VGS p =

3V參數 IDSS = 9mA，則 ID =？ (A)1mA (B)3mA (C)4.5mA (D)9mA。

思考題目是供讀者自我挑戰，這些題目可能超出本書內容，你可能現在

不會，不過希望讀者將來都能解答之。

2

試求圖 8-33之工作模式及直流工作點Q (VDSQ , IDQ)？已知k = 0.5mA/V2，

VGS p = 4V。

圖 8-33 思考題 3的圖


125

第三節接面場效電晶體之特性與偏壓

JFET特性類同於 D-MOSFET。

JFET夾止飽和區電流 ID = IDSS(1VGSVGS p

)2。

JFET VGS為順偏時，會使 IG≠ 0。

1 JFET之物理結構與電路符號

除了上述控制閘為絕緣型的 MOSFET 外，FET 還有另一種控制閘為

接面型的接面場效電晶體 JFET（junction FET）的V I特性，與空乏型MOS-

FET 幾乎完全相同，主要不同為製造的結構。圖 8-34 與圖 8-35 分別為

N通道 JFET與 P通道 JFET之物理結構、電路符號及簡化電路符號。


圖 8-34 N通道 JFET


圖 8-35 P通道 JFET

電子學 II

126

圖 8-34(a)N通道 JFET的基本結構為，在 N型通道材料的左右兩側，

擴散摻雜成 P 型材料，並連結上導體相接後，再引線出來當作控制閘極

端，而 N 通道型材料上下兩側，也各別連結上導體，引線出來當作通道

的汲極端與源極端。

JFET之閘極端與N通道間為 P型半導體材料，不是MOSFET的二氧化矽絕緣體材料。

2 JFET之工作模式與特性曲線

1 工作原理

N 通道 JFET 與 N 通道空乏型 MOSFET 一樣，在未加任何偏壓

時，即已經存在通道，所以控制電壓 VGS 在正常使用情況下，應加予

負偏壓，才能控制通道大小，及控制輸出電流 ID 大小。當閘極電壓

VGS 加予負偏壓時，因 G極為 P型半導體，而 S極為 N型半導體，所

以 G、S兩端的逆向偏壓 VGS 會在接面上形成空乏區，如圖 8-36(a)所

示，空乏區的大小即可控制輸出電流大小。

與 N通道空乏型MOSFET不同的是，N通道 JFET不可將 VGS 接

成正偏壓，否則 PN接面會形成順偏狀態，閘極電流 IG≠0。

(a)空乏區的形成 (b)截止區工作模式：通道完全夾止

圖 8-36 N通道 JFET之工作原理


127

截止區工作模式：VGS VGS p，VGD VGS p

當控制閘電壓 VGS 小於夾止電壓 VGS p 時，因 VDS > 0，所以VGS

VGS p 且VGD VGS p，通道完全被空乏區佔滿，輸出電流 ID = 0，N通

道 JFET為截止區工作模式，如圖 8-36(b)所示。

歐姆區工作模式：VGS > VGS p，VGD > VGS p

當 VGS >VGS p 且 VGD > VGS p 時，N通道 JFET為歐姆區工作模式，

此和 N通道空乏型 MOSFET 相同。當汲源極電壓 VDS 很小，加大閘

極 VGS 之負電壓（即電壓愈負），使空乏區變大，通道高度變小，電

流 ID 變小，如圖 8-37(a)所示。因VGD = VGS VDS VGS，所以空乏區等

高，通道高度也等高，輸出 VDS-ID 為線性電阻特性，隨著 VGS 愈負而

電阻愈大（斜率愈小），如圖 8-37(b)所示。

(a)等高的 N通道 (b) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-37 N通道 JFET之歐姆區工作模式：VDS 很小時之線性電阻特性

若在 VGS 不變下，加大VDS，使得VGD = (VGS VDS) < VGS，則靠近

D極端之空乏區變大，通道高度小於 S極端，如圖 8-38(a)所示梯形通

道。由於 DS極兩邊之通道高度不等高，此時 VDS-ID 輸出特性為非線

性電阻特性，如圖 8-38(b)所示。

電子學 II

128

(a)不等高的 N通道 (b) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-38 N通道 JFET之歐姆區工作模式：VDS 變大時之非線性電阻特性

夾止飽和區工作模式：VGS > VGS t，VGD VGS t

同上情形，若持續增加 VDS，使 VGD愈負，D極端的空乏區愈大，

通道愈小。當 VGD VGS p 時，D極端的通道高度夾止，電流呈現飽

和，如圖 8-39(a)所示。當 VGS >VGS p，VGD VGS p（或表示為VDS VGS

VGS p）時，N通道空乏型MOSFET為夾止飽和區工作模式，此時 ID

輸出電流飽和，不隨 VDS 改變，如圖 8-39(b)所示。

(a) D極端夾止的 N通道 (b) VDS-ID 輸出特性曲線

圖 8-39 N通道 JFET之夾止飽和區工作模式


129

2 特性曲線

圖 8-40分別為 N 通道 JFET 之輸出 VDS-ID 特性曲線、輸入輸出

VGS-ID 特性曲線及直流等效電路。P通道 JFET則如圖 8-41所示。

JFET 之夾止飽和區輸出電流 ID 與空乏型 MOSFET 相同，即


)2。

空乏型MOSFET之特性曲線具有增強型特性，但 JFET沒有。

(a) VDS-ID輸出特性曲線 (b) VGS-ID輸入輸出特性曲線 (c)直流等效電路

圖 8-40 N通道 JFET之特性曲線


圖 8-41 P通道 JFET之特性曲線

電子學 II

130

8-16已知 N通道 JFET之夾止電壓 VGS p = 2V，試求圖 8-42(a)(b)(c)之工

作模式各為何？

(a) (b) (c)

圖 8-42 例題 8-16的圖

圖 8-42(a)工作於夾止飽和區模式，因



圖 8-42(b)工作於截止區模式，因

(VGS = VG VS = 2V 1V = 3V) (VGS p = 2V)


圖 8-42(c)工作於歐姆區模式，因

(VGS = VG VS = 1V 1.5V = 0.5V) > (VGS p = 2V)

(VGD = VG VD = 1V 2.5V = 1.5V) > (VGS p = 2V)

已知 P通道 JFET之夾止電壓VGS p = 2V，試求圖 8-43(a)(b)(c)之工

作模式各為何？

(a) (b) (c)

圖 8-43 練習 16的圖


131

8-17已知 N 通道 JFET 工作於夾止飽和區，而其VGS = 3V，VGS p =

5V，飽和電流 IDSS = 10mA，試求輸出電流 ID =？


)2 = 10mA× 1 )2 = 1.6mA。

已知 N通道 JFET工作於夾止飽和區，而其 VGS = 0.5V，VGS p =

2V，飽和電流 IDSS = 3.2mA，試求輸出電流 ID =？

3 JFET之直流偏壓

JFET夾止飽和區直流偏壓工作點Q (VDSQ , IDQ)之求解步驟與D-MOSFET

相同為：

求出輸入電壓 VGS 值或關係式。

代入輸出電流公式 ID = IDSS× 1VGSVGS p

)2。

由輸出迴路求出 VDS。

驗證 VGS > VGS p，VGD VGS p 是否成立。


8-18試求圖 8-44 N通道 JFET固定式偏壓電路

之工作模式及直流工作點 Q (VDSQ , IDQ)？已知

IDSS = 9mA，VGS p = 4.5V。

VGS = VGG = 1.5V。

假設 JFET工作於夾止飽和區，則


)2 = 9mA× 1 )2= 4mA

VDS = VDD ID×RD = 15V 4mA×2k = 7V 圖 8-44 N通道 JFET固定式偏壓電路

電子學 II

132

驗證：

(VGS = VGG = 1.5V) > (VGS p = 4.5V)

(VGD = VGS VDS = 1.5V 7V = 8.5V) (VGS p = 4.5V)

JFET確實工作於夾止飽和區，假設成立。

直流偏壓工作點 IDQ = 4mA， VDSQ = 7V。

試求圖 8-45之工作模式？已知

IDSS = 6mA，VGS p = 4V。

圖 8-45 VGG = 0之固定式偏壓電路

2 自給式偏壓電路

8-19已知圖 8-46 JFET工作於夾止飽和區，

其 VGS = 2V， IDSS = 16mA，VGS p = 4V，

試求源極電阻 RS？


)2 = 16× 1 )2 = 4mA

VGS = ID×RS 2V = 4mA×RS

RS = 0.5k

VDS = VDD ID×(RD + RS) = 18V 4mA×3.5k = 4V 圖 8-46 N通道 JFET

自給式偏壓

已知圖 8-46 JFET工作於夾止飽和區，其ID = 1mA，IDSS = 16mA，

VGS p = 4V，試求源極電阻 RS =？


133


8-20已知圖 8-47 JFET工作於夾止飽和區，且

VD = 12V，VGS = 2V，試求源極電阻 RS =？

VG = VDD×RG2

RG1+RG2= 15V× = 5V

VD =VDD VDRD

= = 2mA

VGS = VG VS = VG ID×RS

2V = 5V 2mA×RS RS = 3.5k

圖 8-47 N通道 JFET分壓式偏壓

已知圖 8-47 JFET工作於夾止飽和區，且VD = 9V，VGS = 1V，

試求源極電阻RS =？

( ) JFET工作於夾止飽和區時，其輸出電流關係式為

(A) ID = IDSS×(1VGSVGS p

)2 (B) ID = IDSS×(1VGSVGS p

)

(C) ID = IDSS2 ×(1

VGSVGS p

) (D) ID = k×(1VGSVGS p

)2。

( ) N通道 JFET的特性類同於 (A) N通道 E-MOSFET

(B) P通道E-MOSFET (C) N通道D-MOSFET (D) P通道D-MOSFET。

( ) 已知 N通道 JFET 之夾止電壓 VGS p = 2V，若VG = 1V、VS = 2V、

VD = 3.5V，則工作模式為何？ (A)夾止飽和區模式 (B)歐姆區模式

(C)截止區模式 (D)增強區模式。

( ) 已知 N通道 JFET工作於夾止飽和區，若 VGS = 1V，VGS p = 3V，參

數 IDSS = 9mA，則輸出電流 ID =？


電子學 II

134

第四節 FET與 BJT之功能特性比較

FET主要功能有開關、電阻及放大。

FET輸入阻抗遠大於 BJT。

FET有較好的溫度特性。

1 FET的主要功能

1 開關功能

FET作為開關功能時，其原理是利用歐姆區作為開關ON的特性

區域，截止區作為開關 OFF 的特性區域，並由閘極電壓 VGS 控制開

關的 ON與 OFF，如圖 8-48。與 BJT 不同的是，BJT 為 ON 時，其輸

出為一定電壓特性（VCE sat = 0.2V），而 FET為一電阻特性（RDS）。

因此，當 FET 作為開關時，為得到較好的 ON 特性，其控制閘電壓

VGS 應使 FET導通電流 ID 愈大愈好，即導通電阻 RDS 愈小愈好。

(a) OFF的等效電路 (b) ON的等效電路

圖 8-48 FET之開關功能

2 電阻功能

FET在 VDS 很小時，通道特性如同線性電

阻，且其電阻值可籍由閘極電壓 VGS 控制，如

圖 8-49所示，故 FET 可當作電壓控制電阻器

（Voltage Controlled Resistor，VCR）使用；例如

應用於 IC內部電路及自動增益控制（Automatic

Gain Control，AGC）電路。圖 8-49 FET之電阻功能


135

3 放大功能

FET和BJT一樣，只要將直流偏壓工作點設計於主動區（FET稱

為夾止飽和區；BJT 稱為順向主動區）時，疊加於輸入端的交流信

號，經由 FET之輸入輸出 Vgs-Id 特性曲線轉換後，可得到一個放大信

號輸出。有關 FET放大電路，將於下一章節討論。

2 FET和 BJT特性比較

從上面的說明與分析，我們已經很清楚地了解到，無論是電晶體

（BJT）或場效電晶體（FET），都有放大與受控開關的功能，但是它們

之間仍有差異，也各有其優缺點，到目前為止都還無法完全互相取代，

這就是為什麼這兩種元件會同時存在的原因。其主要的差異如下：

就傳導電流而言：BJT是屬於雙載子元件；FET是屬於單載子元件。

就輸出相依電流源特性而言：BJT是藉由改變基射極電壓 VBE，以改變

電流 IB、IE，進而控制輸出電流 IC = ×IB = ×IE之電流控制元件； FET

是藉由改變閘源極電壓 VGS 所形成的電場，以控制輸出電流 ID = k× (VGS

VGS t )2 = IDSS×(1

VGSVGS p

)2 之電場控制元件。

就輸入阻抗而言：FET的輸入阻抗約為無限大（對 JFET而言約為107～

109 ，對 MOSFET 而言約為1010～1012 ），而 BJT輸入阻抗等於r（一

般只有 k 的數量級），所以 FET的電路較簡單，適用於多級放大器的

輸入級。但是，也因為高輸入阻抗的關係，所以 FET 較易受靜電影響

而損壞，因 V靜電壓 = I靜電流 × R 會很大。

就 IC製程而言：FET的製程較簡單，所需的製造面積較小，故 FET的

製造密度比 BJT高。

就雜訊而言：FET產生的雜訊干擾比 BJT小。

就溫度特性而言：FET之 k 值為負溫度係數，而 BJT之為正溫度係

數，故 FET有較高的溫度穩定特性。

電子學 II

136

就電阻特性而言：FET在汲源電壓 VDS 很小時，汲源電阻 RDS如同一個

受控於 VGS 之電壓控制可變電阻（Voltage Controlled Resistor，VCR）。

就互導增益 gm 而言：BJT比 FET有較高的互導增益 gm 值。

就響應速度而言：因電子對移動速率較電洞快，所以BJT之NPN比PNP

快；FET之 N通道比 P通道快。

就頻率響應而言：因為FET有較高的輸入電容量（JFET為空乏電容量，

MOSFET 為閘極與通道間二氧化矽所形成的平行板電容量），所以頻

率響應及操作速度較 BJT來得低。

就線性度而言：BJT 的輸入與輸出關係為指數關係，而 FET 為平方關

係，所以 BJT 在主動區時，其直流工作點上的小信號放大有較好的線

性特性。

就對稱性而言：BJT 之 C 極與 E 極為非對稱關係，故不可互調使用；

FET之 D極與 S極為對稱關係，故可互調使用。

就電流輸出趨動能力而言：BJT比 FET有較大電流輸出。

FET各種工作模式的整理比較，如表 8-1。


137

表 8-1 各種 FET的特性比較

FET的分類

MOSFET JFET

D-MOSFETE-MOSFETN通道 P通道

N通道P通道 P通道N通道

電路符號

臨界電壓VGS t

VGS t > 0 VGS t < 0 無無

夾止電壓VGS p

無無 VGS p < 0 VGS p > 0

同空乏型MOSFET

主動區條件( D端夾止 )

VGS > VGS t

VGD VGS t

VGS < VGS t

VGD VGS t

VGS > VGS p

VGD VGS p

VGS < VGS p

VGD VGS p

歐姆區條件(D端未夾止 )

VGS > VGS t

VGD > VGS t

VGS < VGS t

VGD < VGS t

VGS > VGS p

VGD > VGS p

VGS < VGS p

VGD < VGS p

截止區條件(無通道存在)

VGS VGS t

VGD VGS t

VGS VGS t

VGD VGS t

VGS VGS p

VGD VGS p

VGS VGS p

VGD VGS p

主動區電流公式

ID = k×( VGS VGS t )2 ID = IDSS×( 1

VGSVGS p

)2 = k×( VGS VGS p )2，k =

IDSSVGS p

2

輸入-輸出特性曲線

截止區電流 ID = 0

端點電流特性 IG = 0，IS = ID

輸入電阻 ∞

直流等效電路

電子學 II

138

( ) 以下何者非為FET的功用？ (A)放大 (B)開關 (C)整流 (D)電阻。

( ) 以下何者非為 FET的優於 BJT的特性？ (A)高輸入阻抗

(B)負溫度特性 (C)製造密度高 (D)操作速度較快。

( ) 以下何者非為 FET 的特性？ (A)單載子元件 (B)電場控制元件

(C)輸入電壓為 0 (D)易受靜電影響。

思考題目是供讀者自我挑戰，這些題目可能超出本書內容，你可能現在不

會，不過希望讀者將來都能解答之。

3

圖 8-50是利用 P通道增強型MOSFET（簡稱 PMOS），與 N通道增強型

MOSFET（簡稱 NMOS），所構成之互補式 MOSFET（complement MOSFET

簡稱CMOS），試應用 FET之開關功能，說明輸入A與輸出 Y之邏輯關係為

反相關係，即 Y = A。

圖 8-50 CMOS

139

8

8-1 增強型場效電晶體之特性與偏壓

MOSFET及 JFET，可再區分 N通道及 P通道兩種。

MOSFET分為增強型（E-MOSFET）與空乏型（D-MOSFET）兩種。

為確保基體對汲極與源極保持逆偏隔離關係，基體 B極必須接上負電壓

（對 N通道MOSFET而言），或與源極相接。

N通道所傳導的載子為電子，而 P通道所傳導的載子為電洞。

傳導載子為電子，其移動率較高，速度較快，所以實用上以N通道為主。

FET的工作模式區分為歐姆區、夾止飽和區及截止區。

截止區工作模式：VGS VGS t，VGD VGS t。

歐姆區工作模式：VGS > VGS t，VGD > VGS t。

夾止飽和區工作模式：VGS > VGS t，VGD VGS t。

歐姆區工作模式，在 VDS 很小時，其通道電阻為線性電阻特性。

E-MOSFET之夾止飽和區電流 ID = k×( VGS VGS t )2。

未加偏壓時，E-MOSFET沒有通道，而 D-MOSFET有通道。

含源極電阻 RS 之分壓式偏壓電路，其 RS 可提高直流工作點的穩定度，

類似 BJT電路中之 RE電阻。

汲極回授式偏壓電路，可提高直流工作點的穩定度，類似 BJT電路中之

集極回授式電路。

汲極回授式偏壓電路，因 VGD = VGS VDS = 0必小於 VGS t，故電路導通

時，一定工作於夾止飽和區。

8-2 空乏型場效電晶體之特性與偏壓

對於N通道MOSFET而言，增強型之VGS為正，才能感應通道、控制電

流大小；空乏型之 VGS 為負，才能限制通道、控制電流大小。

D-MOSFET與 JFET，在VGS大於夾止電壓VGS p 時，空乏區將佔滿整個

通道而完全夾止，使 ID = 0。

140

8

D-MOSFET與 JFET之夾止飽和區電流 ID = IDSS×( 1VGSVGS p

)2。

k =IDSSVGS p2 。

8-3 接面型場效電晶體之特性偏壓

JFET的 V I特性，與空乏型MOSFET幾乎完全相同，主要不同為製造

結構。

N通道 JFET不可將 VGS接成正偏壓，否則 PN接面會形成順偏狀態，閘

極電流 IG ≠ 0。

空乏型MOSFET之特性曲線具有增強型特性，但 JFET沒有。

8-4 FET與 BJT之功能特性比較

FET之開關功能，係利用歐姆區作為開關 ON的特性區域，截止區作為

開關 OFF的特性區域，並以 VGS 電壓控制 ON與 OFF。

FET可當作電壓控制電阻器（Voltage Controlled Resistor，VCR）使用。

FET作為線性放大時，必須工作於夾止飽和區。

BJT是屬於雙載子元件，而 FET是屬於單載子元件。

BJT為 VBS所形成的電流控制元件，而 FET為 VGS 所形成的電場控制元

件。

FET的輸入阻抗約為無限大。

FET之 k值為負溫度係數，而 BJT之為正溫度係數，故 FET有較高

的溫度穩定特性。

BJT比 FET有較高的互導增益 gm值。

因電子對移動速率較電洞快，所以 BJT之 NPN比 PNP快；FET之 N通

道比 P通道快。

FET頻率響應及操作速度較 BJT來得低。

BJT之C極與 E極為非對稱關係，故不可互調使用；FET之D極與 S極

為對稱關係，故可互調使用。


141

選擇題

8-1 ( ) 有關場效電晶體（FET）之敘述，下列何者錯誤？ (A)一般可

分成 JFET及MOSFET二類 (B)可分成 N通道及 P通道二種

(C)MOSFET 又分成空乏型及增強型二種 (D)輸入阻抗較雙極

性電晶體為低。

( ) 若圖 8-51為增強型N通道MOSFET，則圖中甲區與乙區分別為

何種型式半導體？若要形成通道，VGS 之條件為何？

(A)甲區：型，乙區：N型，VGS > VGS t > 0

(B)甲區：型，乙區：P型，VGS < VGS t < 0

(C)甲區：型，乙區：N型，VGS > VGS t > 0

(D)甲區：型，乙區：P型，VGS > VGS t > 0。

圖 8-51

( ) 增強式MOSFET之 VDS = 4V，元件參數k = 0.5mA/ ，臨界電壓

VGS t = 2V，ID = 2mA，則 VGS 應為？

(A)0V (B)3V (C)4V (D)4.5V。

( ) 增強型MOSFET臨界電壓 VGS t = 2V，當 VGS = 4V時，ID = 2mA，

若VGS=3V，則ID為？ (A)3mA (B)2mA (C)1mA (D)0.5mA。

( ) 已知某一 E-MOSFET之導通電流 ID = 1mA，若將其通道長度增

為 2倍，寬度增為 2倍，則導通電流 ID =？


電子學 II

142

8-2 ( ) 下列金氧半場效電晶體元件之電路符號，何者不是N通道型式？

(A) (B) (C) (D) 。

( ) 要控制 N 通道空乏型 MOSFET 之通道大小，VGS電壓應加上？

(A)正電壓 (B)零電壓 (C)負電壓 (D)和VDS一樣的電壓。

( ) 下列元件，何者同時具有空乏特性與增強特性？

(A)JFET (B)D-MOSFET (C)E-MOSFET (D)BJT。

( ) N通道空乏型MOSFET欲工作於定電流區（夾止飽和區），則

以下何者正確？ (A)VGD < VGS t < 0 (B)VGD > VGS t > 0

(C)VGS t > VGD > 0 (D)VGS t < VGD < 0。

( ) 有一空乏型MOSFET之 IDSS = 12mA，VGS p = 4.8V，試求VGS =

2.4V時，ID =？ (A)1mA (B)2mA (C)3mA (D)4mA。

8-3 ( ) 下列有關 N通道 JFET特性何者正確？

(A)當VGS = 0V且VDS VGS p 時 ID最大 (B)當VGS > VGS p 時 ID

最大 (C)ID = IDSS×( 1VGSVGS p

)2 (D)其VGS ID轉移曲線位於第一

象限。

( ) 如圖 8-52之電路，欲測量 JFET之夾止電壓VGS p，則需調整VR

使下列何者為零？ (A )ID (B) IG (C) VGS (D)VDG。

圖 8-52 圖 8-53

( ) 如圖 8-53所示 VDS = 10V，則 VGS =？

(A) + 2.5V (B) 3.5V (C) 2.0V (D) 2.5V。


143

( ) 下列何者不可採用自給偏壓法？ (A) N 通道 D-MOSFET

(B) N通道E-MOSFET (C) N通道 JFET (D) P通道D-MOSFET。

( ) 下列何者為 P通道 JFET之輸出特性曲線？

(A) (B)

(C) (D) 。

8-4 ( ) 下列哪一種元件是單靠一種載子來傳送電流？

(A)FET (B)雙極性電晶體 (C)二極體 (D)電阻。

( ) 場效電晶體（FET）是利用？ (A)磁場 (B)電場 (C)電磁場

(D)壓電之效應控制電流的元件。

( ) 有關MOSFET特性敘述，下列何者有誤？ (A)增強型MOSFET

結構上少了通道 (B)N通道空乏型MOSFET之夾止電壓VGS p 為

負值 (C)P通道增強型 MOSFET之臨界電壓 VGS t 為正值

(D)N通道增強型MOSFET之 VGS 需大於 VGS t 才可能導通電流。

( ) 下列敘述何者不正確？ (A)BJT 電晶體為雙極性（bipolar）電

晶體 (B)MOSFET 電晶體為單極性（unipolar）電晶體 (C)一

般BJT電晶體的基極輸入阻抗比MOSFET電晶體閘極的輸入阻

抗小 (D)MOSFET電晶體為一種電流控制元件。

( ) 下列何者非為正溫度係數？ (A)金屬之電阻係數 (B)E-MOSFET

之 k值 (C)BJT之值 (D)累增崩潰之電壓值。

電子學 II

144

問答及計算

8-1 試畫出所有電晶體之分類與電路符號。

如圖 8-54，已知 VGS t = 1.5V，k = 0.75mA/ ，試求直流工作點

Q(VDSQ , IDQ)？

圖 8-54 圖 8-55 圖 8-56

8-2 如圖 8-55，已知 VG = 5V、IG1 = 10 A、ID = 4mA、VD = 11V，試求所有

電阻值？

8-3 如圖 8-56，已知VGS p = 3V、IDSS = 2mA，試求直流工作點

Q(VDSQ , IDQ)？

8-4 分別寫下工作於主動區下的 BJT、增強型MOSFET、空乏型MOSFET

及 JFET之輸出電流方程式。

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