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场效应晶体管

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场效应晶体管的截面图，显示了源极、栅极和漏极

场效晶体管（场效应晶体管、场效应管)是一种用电场效应来控制电流的电子器件。场效应晶体管是一种三极管，包括源极、栅极和漏极。场效应晶体管通过向栅极施加电压来控制电流，这反过来会改变漏极和源极之间的电导率。

场效应晶体管因其只需要一种载流子起作用，故又称为单极型晶体管。即，场效应晶体管以电子或空穴中的一种作为载流子。现已有许多不同类型的场效应晶体管。场效应晶体管通常在低频时显示非常高的输入阻抗。

1 历史编辑

场效应晶体管的第一项专利由朱利叶斯·埃德加·利林费尔德于1926年以及奥斯卡·海尔于1934年分别提出。在此17年的专利权限期结束后不久，威廉姆·肖克利的团队于1947年在贝尔实验室观察到晶体管效应并阐释了机理。随后，在20世纪80年代，半导体器件(即结型场效应晶体管)才逐渐发展起来。

1950年，日本工程师西泽润一和渡边发明了第一种结型场效应管——静电感应晶体管 (SIT)。静电感应晶体管是一种短沟道结型场效应管。[1]1959年，由圣虎达温·卡恩和马丁·阿塔拉发明的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)在很大程度上取代了结型场效应管，并对数字电子发展产生了深远的影响。[2]

2 结构单元编辑

场效应晶体管既可以作为多数载流子器件（由多子导电），又可以作为少数载流子器件（由少子导电）。[3]该器件由电荷载流子（电子或空穴）从源极流到漏极的有源沟道组成。源极导体和漏极导体通过欧姆接触联结。沟道的电导率是栅源电压的函数。

场效应晶体管的三个电极包括:

  1. 源极(S)，载流子经过源极进入沟道。通常，在源极处进入通道的电流由IS表示。
  2. 漏极(D)，载流子通过漏极离开沟道。通常，在漏极处进入通道的电流由ID表示。漏极与源极之间的电压由VDS表示。
  3. 栅极(G)，调制沟道电导率的电极。通过向栅极施加电压，可以控制ID。

3 关于电极的更多信息编辑

n型MOSFET的横截面

所有场效应晶体管都有源极、漏极和栅极，大致对应于双极型半导体三极管的发射极、基极和集电极。大多数场效应晶体管都有第四个电极，称为主体电极、集电极、基底或衬底。该第四端子用于使晶体管偏置工作；在电路设计中异常使用主体电极是很少见的，但是当设置集成电路的物理布局时，主体电极是很重要的。栅极的大小（右图中的长度L）为源极和漏极之间的距离。其宽度为晶体管在垂直于图中横截面的方向上的延伸(即进入/离开屏幕)。通常，宽度比栅极的长度大得多。1μm栅极长将上限频率限制在大约5千兆赫，0.2μm栅极长则将上限频率限制在大约3万兆赫左右。

电极是以其功能命名的。栅极可控制物理栅极的开关。栅极通过在源极和漏极之间创建或消除沟道来允许或阻挡电子流入。从源极到漏极的电流受到施加电压的影响。主体仅指栅极、源极和漏极所在的半导体主体。通常，根据场效应晶体管的类型，主体电极连接到电路中的最高或最低电压。主体电极和源极有时连接在一起，因为源极经常连接到电路中的最高或最低电压。但也有几种场效应晶体管不具备这种配置的用途，例如传输门和共源共栅电路。

3.1 栅极电压对电流的影响

结型场效应管n沟道晶体管的伏安特性和输出图。

右侧模拟结果:反转沟道(电子密度)的形成；左侧模拟结果:n沟道纳米线MOSFET中的电流—栅极电压曲线(传输特性) 。需注意，该器件的阈值电压约为0.45 V.

场效应晶体管常规符号类型

场效应晶体管通过影响“导电沟道”的尺寸和形状来控制从源极到漏极的电子(或空穴)，该“导电沟道”受栅源电压(或电压不足)控制和影响。(为方便讨论，此处假设主体电极和源极是连接的。)该导电沟道是指从源极流向漏极的“电子流”。

n沟道

n沟道“耗尽型”器件中，负的栅源电压会导致耗尽层宽度扩展，并从侧面侵蚀沟道，使沟道变窄。如果有源区扩展到完全闭合沟道，则沟道从源极到漏极的电阻变大，场效应晶体管会像开关一样进行有效导通和闭合(见右图，当电流非常小时)。这被称为“夹断”，它发生的电压被称为“夹断电压”。相反，正栅源电压会增加沟道尺寸，并允许电子轻松流过(见右图，当存在导电沟道且电流较大时)。

n沟道“增强型”器件中，晶体管内不存在导电沟道，需要正的栅源电压来产生导电沟道。正电压使管内的自由电子迁移至栅极，形成导电沟道。但是首先必须在栅极附近吸引足够的电子来抵消掺杂到场效应晶体管中的离子；这就形成了一个没有移动载流子的区域，称为耗尽层，此时的电压被称为场效应晶体管的阈值电压。栅源电压的进一步增加将会吸引更多的电子迁移至栅极，这些电子能够创建从源极到漏极的导电沟道；这个过程叫做倒置。

p沟道

p沟道“耗尽型”器件中，从栅极到主体电极的正电压通过迫使电子到达栅极-绝缘体/半导体界面来加宽耗尽层，留下暴露的不动的、带正电荷的受体离子的无载流子区域。相反，在p沟道“增强型”器件中，不存在导电沟道，必须附加负电压来产生导电沟道。

3.2 源极/漏极电压对沟道的影响

对于增强型或耗尽型器件，漏源电压远低于栅源电压时，改变栅极电压将改变沟道电阻，漏极电流将与漏极电压成比例(参考源极电压)。在这种模式下，场效应晶体管像可变电阻器一样工作，并且场效应晶体管会在所谓的在线性模式或欧姆模式下工作。[4][5]

如果漏源电压增加，源极至漏极之间的电压梯度将导致沟道形状的显著不对称变化。反转区的形状在沟道的漏极附近变得“收缩”。如果漏源电压进一步增加，沟道的夹断点开始由漏极向源极移动。据说场效应晶体管会在饱和模式工作；[6]虽然有些学者称之为有源模式，以便与双极晶体管工作区域更好地类比。[7][8]当需要放大时，使用饱和模式或欧姆和饱和之间的区域。中间区域有时被认为是欧姆或线性区域的一部分，即便在漏极电流与漏极电压不近似线性的情况下也是如此。

即使在饱和模式下由于栅源电压形成的导电沟道不再将源极连接到漏极，也不会阻止载流子流动。再者，n通道增强型器件的耗尽层存在于p型半导体中，围绕导电沟道以及漏极和源极区域。如果电子由于漏源电压被吸引到漏极，构成沟道的电子可以通过耗尽层自由移出沟道。耗尽区没有载流子并且具有类似于硅的电阻。漏源电压增加会使漏极至夹断点的距离增加，从而使得与漏源电压成比例的耗尽层电阻增加。与线性工作模式下的欧姆行为不同，这种比例变化使得漏源电流保持相对稳定，与漏源电压的变化无关。因此，在饱和模式下，场效应晶体管充当恒流源而不是电阻器，并且可以有效地用作电压放大器。在这种情况下，栅源电压决定了通过沟道的恒定电流水平。

4 组件编辑

场效应晶体管可以由各种半导体制成，其中硅是目前最常见的。大多数场效应晶体管是使用传统的批量半导体加工技术并由单晶半导体晶片作为有源区或沟道制造而成。

特殊的基体材料包括非晶硅、多晶硅、其他非晶半导体以及薄膜晶体管、有机半导体基有机晶体管(OFET)。有机晶体管的栅极绝缘体和电极通常是由有机材料制成。这种特殊的场效应晶体管使用各种材料制造，例如碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和砷化铟镓(InGaAs)。

2011年6月，IBM宣布已成功地将石墨烯基场效应晶体管应用于集成电路中。[9][10]这些晶体管的频率上限约为2.23 GHz，比标准硅基场效应晶体管高得多。[11]

5 类型编辑

典型电压下的耗尽型场效应晶体管:结型场效应管、多晶硅场效应晶体管、双栅极场效应晶体管、金属栅极场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管。 耗尽层 电子 空穴 金属 绝缘体顶部:源极，底部:漏极，左侧:栅极，右侧:主体电极。导致沟道形成的电压未示出。

场效应晶体管的沟道是掺杂n型半导体或p型半导体的结果。在增强型场效应晶体管中，漏极和源极可以掺杂与沟道相反的类型，或者掺杂与耗尽型场效应晶体管类似的类型。场效应晶体管也可由沟道和栅极之间的绝缘方法来区分。场效应晶体管的类型包括:

  • 结型场效应管(结型场效应晶体管)使用反向偏置的pn结将栅极与主体电极分开。
  • MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)将绝缘体(通常SiO2)置于漏极和主体电极之间。
  • MNOS 金属-氮化物-氧化物-半导体晶体管将氮化物-氧化物层绝缘体置于栅极和主体电极之间。
  • DGMOSFET ( 双栅极MOSFET )，一种具有两个绝缘栅极的场效应晶体管。
  • DEPFET 是在完全耗尽的衬底中形成的场效应晶体管，同时充当传感器、放大器和存储器节点。它可以用作图像(光子)传感器。
  • FREDFET (快速反向或快速恢复外延二极管场效应晶体管)是一种用于提供非常快速的重启（关闭）体二极管的特殊的场效应晶体管，
  • HIGFET (异质结构绝缘栅场效应晶体管)现在主要用于研究。[12]
  • MODFET(调制掺杂场效应晶体管)是使用通过在有源区分级掺杂形成的量子阱结构的高电子迁移率晶体管。
  • TFET ( 隧道场效应晶体管)是以带对带隧道基的晶体管。[13]
  • IGBT(IGBT高频炉)是一种功率控制装置。它与类双极的主导电沟道的MOSFET的结构，并常用于200-3000伏的漏源电压工作范围。功率MOSFET 仍然是1至200 V漏源电压的首选器件。
  • HEMT ( 高电子迁移率晶体管)，也称为HFET(异质结构场效应晶体管)，可以在诸如AlGaAs 的三元半导体中使用带隙工程来制造。完全耗尽的宽带隙材料形成栅极和主体之间的绝缘。
  • ISFET (离子敏感场效应晶体管)可用于测量溶液中的离子浓度；当离子浓度(如H+，参见酸碱度电极)发生变化时，流经晶体管的电流也会发生相应地变化。
  • BioFET (生物敏感场效应晶体管)是一类基于ISFET(离子敏感场效应晶体管) 技术的（生物）传感器，用于检测带电分子；当一个带电分子存在时，生物表面静电场的变化会导致通过晶体管的电流发生可测量的变化。这些包括 EnFET 、免疫FET 、 GenFET 、DNAFET （DNA场效应晶体管）、 CPFET 、 BeetleFET 和基于离子通道/蛋白质结合的FET。[14]
  • 金属半导体场效应晶体管(金属半导体场效应晶体管)用肖特基势垒代替结型场效应管的pn结；和其他ⅲ-ⅴ族半导体材料中使用。
  • NOMFET 是纳米粒子有机存储场效应晶体管。[15]
  • GNRFET (石墨烯纳米带场效应晶体管)使用石墨烯纳米带作为其沟道。[16]
  • VeSFET (垂直狭缝场效应晶体管)是一种方形无结场效应晶体管，具有对角连接源极和漏极的窄狭缝。两个栅极占据另一个角，控制通过狭缝的电流。[17]
  • 碳纳米管场效应晶体管(碳纳米管场效应晶体管)。
  • OFET ( 有机晶体管)在其沟道中使用有机半导体。
  • DNAFET ( DNA场效应晶体管)是一种使用由单链DNA分子制成栅极来检测匹配DNA链并充当生物传感器的特殊场效应晶体管。
  • QFET(量子场效应晶体管)利用量子隧穿消除传统晶体管的电子传导区域，从而大大提高了晶体管的工作速度。
  • SB-FET(肖特基势垒场效应晶体管)是一种具有金属源极和漏极接触电极的场效应晶体管，其在源极-沟道和漏极-沟道界面处产生肖特基势垒。[18][19]
  • GFET是一种用作高灵敏度生物传感器和化学传感器的石墨烯基场效应晶体管。由于石墨烯的二维结构及其物理性质，石墨烯基场效应晶体管在传感应用中提供了更高的灵敏度，并减少了“假阳性”的情况。[20]
  • Fe FET在栅极之间使用铁电体，允许晶体管在没有偏置的情况下保持其状态，这种器件可以用作非易失性存储器。

6 优势编辑

场效应晶体管的一个优点是它的栅极到主电流电阻高（≥100 MΩ），从而使控制和流动彼此独立。因为基极电流噪声将随着整形时间而增加，[21]场效应晶体管通常比双极结型晶体管 (BJT)产生更少的噪声，因此可应用于噪声敏感电子器件，例如调谐器和用于甚高频和卫星接收机的低噪声放大器。场效应晶体管对辐射相对免疫。它在零漏极电流下不显示失调电压，因此是一款出色的信号斩波器。场效应晶体管通常比双极结型晶体管具有更好的热稳定性。[22]因为场效应晶体管是由栅极电荷控制的，所以在某下状态下一旦栅极闭合或打开，就不会像使用双极结晶体管或者是非闭锁的继电器一样有额外的功率损耗。这允许极低功率开关，这反过来又允许电路更小型化，因为与其他类型的开关相比，散热需求减少了。

7 劣势编辑

场效应晶体管与双极型场效应晶体管相比具有相对低的增益-带宽乘积。金属氧化物半导体场效应晶体管极易受到过载电压的影响，因此在安装过程中需要特殊处理。[22]栅极和沟道之间的金属氧化物半导体场效应晶体管的脆弱绝缘层使其在处理过程中易受静电放电或阈值电压变化的影响。在设备安装到正确设计的电路中后，这通常不是问题。

场效应晶体管通常具有非常低的“开”电阻和高的“关”电阻。然而，中间电阻很大，因此场效应晶体管在开关时会消耗大量功率。因此，快速开关会提高效率，但又可能会导致瞬变，从而激发杂散电感并产生可能耦合到栅极并导致无意切换的大电压。因此，场效应晶体管电路布局时需要十分谨慎，并且还需要在开关速度和功耗之间取舍。额定电压和“导通”电阻之间也需要取舍，因为高压场效应晶体管具有相对较高的“导通”电阻，因此传导损耗也较高。

8 故障模式编辑

场效应晶体管相对坚固，尤其是在制造商规定的温度和电气限制范围内工作时(适当降级)中。然而，现代场效应晶体管器件通常可以将主体二极管作为整体功能的一部分。如果不考虑体二极管的特性，场效应晶体管可能会经历缓慢的体二极管行为，其中衍生晶体管会导通并在场效应晶体管闭合时从漏极到源极汲取高电流。[23]

9 应用编辑

最常用的场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管 。CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺技术是现代数字化集成电路的基础。这种工艺技术采用一种增强模式设计，即p沟道MOSFET和n沟道MOSFET串联连接，使得当一个导通时，另一个闭合。

在场效应晶体管中，当以线性模式工作时，电子可以沿任意方向流过沟道。漏极和源极的命名惯例有些随意，因为器件通常(但不总是)从源极到漏极对称构建。这使得场效应晶体管适合在路径之间切换模拟信号(多路复用)。利用这个概念可用于构建固态混合板。

场效应晶体管的一个常见用途是用作放大器。例如，由于其大输入电阻和低输出电阻，场效应晶体管在共漏(源极跟随器)配置中作为缓冲器非常有效。

绝缘栅双极型晶体管用于切换内燃机点火线圈，因其对快速切换和电压阻断能力要求非常高。

10 源栅晶体管编辑

源栅晶体管有助于显示屏等大面积电子器件的制造和环保问题的稳步发展，但运行速度比场效应晶体管慢。[24]

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