電子學實習Ii實習手冊 l8(教師用本)

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。

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 ）。


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。


　　　　　　　(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


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


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

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。


(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。


　

(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


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


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

Technology

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