場效電晶體
場效電晶體（英語：field-effect transistor，縮寫：FET）是一種通過電場效應控制電流的電子元件。
它依靠電場去控制導電通道形狀，因此能控制半導體材料中某種類型載子的通道的導電性。場效應電晶體有時被稱為「單極性電晶體」，以它的單載子型作用對比雙極性電晶體。由於半導體材料的限制，以及曾經雙極性電晶體比場效應電晶體容易製造，場效應電晶體比雙極性電晶體要晚造出，但場效應電晶體的概念卻比雙極性電晶體早。[1]
歷史
[編輯]場效應電晶體於1925年由Julius Edgar Lilienfeld和於1934年由Oskar Heil分別發明，但是實用的元件一直到1952年才被製造出來（結型場效應電晶體）。1960年Dawan Kahng發明了金屬氧化物半導體場效應電晶體，從而大部分代替了JFET，對電子行業的發展有着深遠的意義。
原理
[編輯]電極
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所有的FET都有閘極（gate）、汲極（drain）、源極（source）三個端，分別大致對應雙極性電晶體的基極（base）、集極（collector）和射極（emitter）。除了結型場效應管外，所有的FET也有第四端，被稱為體（body）、基（base）、塊體（bulk）或基板（substrate）。這個第四端可以將電晶體調變至運行；在電路設計中，很少讓體端發揮大的作用，但是當物理設計一個集成電路的時候，它的存在就是重要的。在圖中閘極的長度（length）L，是指源極和汲極的距離。寬度（width）是指電晶體的範圍，在圖中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的閘極限制最高頻率約為5GHz，0.2微米則是約30GHz。
這些端的名稱和它們的功能有關。閘極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個閘極可以通過製造或者消除源極和汲極之間的通道，從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響，電子流將從源極流向汲極。體很簡單的就是指閘極、汲極、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連，根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起，因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET並沒有這樣的結構，比如級聯傳輸電路和串疊式電路。
組成
[編輯]FET由各種半導體構成，目前矽是最常見的。大部分的FET是由傳統塊體半導體製造技術製造，使用單晶半導體矽片作為反應區，或者通道。
大部分的不常見體材料，主要有非晶矽、多晶矽或其它在薄膜電晶體中，或者有機場效應電晶體中的非晶半導體。有機場效應電晶體基於有機半導體，常常用有機柵絕緣體和電極。
場效應電晶體的類型
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摻雜FET（解釋如下）的通道用來製造N型半導體或P型半導體。在空乏模式的FET下，漏和源可能被摻雜成不同類型至通道。或者在提高模式下的FET，它們可能被摻雜成相似類型。場效應電晶體根據絕緣通道和柵的不同方法而區分。FET的類型有：
- DEPFET（Depleted FET）是一種在完全空乏基底上製造，同時用為一個感應器、放大器和記憶極的FET。它可以用作圖像（光子）感應器。
- DGMOFET（Dual-gate MOSFET）是一種有兩個閘極的MOSFET。
- DNAFET是一種用作生物感應器的特殊FET，它通過用單鏈DNA分子製成的閘極去檢測相配的DNA鏈。
- FREDFET（Fast Recovery Epitaxial Diode FET）是一種用於提供非常快的重啟（關閉）體二極體的特殊FET。
- HEMT（高電子移動率電晶體，High Electron Mobility Transistor），也被稱為HFET（異質接面場效應電晶體，heterostructure FET），是運用帶隙工程在三重半導體例如AlGaAs中製造的。完全空乏寬帶隙造成了閘極和體之間的絕緣。
- IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一種用於電力控制的元件。它和類雙極主導電通道的MOSFET的結構類似。它們一般用於漏源電壓範圍在200-3000伏的運行。功率MOSFET仍然被選擇為漏源電壓在1到200伏時的元件.
- ISFET是離子敏感的場效應電晶體（Ion-Sensitive Field Effect Transistor）,它用來測量溶液中的離子濃度。當離子濃度（例如pH值）改變，通過電晶體的電流將相應的改變。
- JFET用相反偏壓的p-n結去分開閘極和體。
- MESFET（Metal-Semiconductor FET）用一個蕭特基勢壘替代了JFET的PN接面；它用於GaAs和其它的三五族半導體材料。
- MODFET（Modulation-Doped FET）用了一個由篩選過的活躍區摻雜組成的量子阱結構。
- MOSFET用一個絕緣體（通常是二氧化矽）於柵和體之間。
- NOMFET是納米粒子有機記憶場效應電晶體（Nanoparticle Organic Memory FET）。[1]（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- OFET是有機場效應電晶體（Organic FET），它在它的通道中用有機半導體。
FET工作
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閘極電壓對電流的影響
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FET通過影響導電通道的尺寸和形狀，控制從源到漏的電子流（或者電洞流）。通道是由（是否）加在閘極和源極的電壓而創造和影響的（為了討論的簡便，這默認體和源極是相連的）。導電通道是從源極到汲極的電子流。
空乏模式
[編輯]在一個n通道"空乏模式"元件，一個負的閘源電壓將造成一個空乏區去拓展寬度，自邊界侵佔通道，使通道變窄。如果空乏區擴展至完全關閉通道，源極和汲極之間通道的電阻將會變得很大，FET就會像開關一樣有效的關閉（如右圖所示，當閘極電壓很低時，導電通道幾乎不存在）。類似的，一個正的柵源電壓將增大通道尺寸，而使電子更易流過（如右圖所示，當閘極電壓足夠高時，通道導通）。
增強模式
[編輯]相反的，在一個n通道"增強模式"元件中，一個正的柵源電壓是製造導電通道所必需的，因為它不可能在電晶體中自然的存在。正電壓吸引了導體中的自由移動的電子向閘極運動，形成了導電通道。但是首先，充足的電子需要被吸引到閘極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個沒有運動載子的被稱為空乏區的區域，這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過閘極，則會製造一個從源極到汲極的導電通道；這個過程叫做"反型"。
汲極源極電壓對電流的影響
[編輯]無論是增強模式還是空乏模式元件，在漏源電壓遠小於柵源電壓時，改變閘極電壓將改變通道電阻，漏電流將和漏電壓（相對於源極的電壓）成正比。在這種模式下FET將像一個可變電阻一樣運行，被稱為"線性模式"或"歐姆模式"。[2][3]
如果漏源電壓增長了，由於源漏電勢的梯度，它將造成通道形狀上的一個很大的非對稱改變。在通道的漏末端，反型區域的形狀變成夹止（pinched-off）。如果漏源電壓進一步增長，通道的夹止點將開始離開汲極，向源極移動。這種FET被稱為"飽和模式"；[4] 一些作者把它稱為"主動模式"，為了更好的和雙極電晶體操作區對比。[5][6] 當需要放大的時候一般用飽和模式或者歐姆模式與飽和模式的中間模式。中間模式有時被認為是歐姆或線性模式的一部分，儘管漏電流並不隨着漏電壓大致線性增長。
儘管在飽和模式下，柵源電壓形成的導電通道不再和源相連，載子的流動並沒有被禁止。重新考慮n通道元件，空乏區存在於p型體中的導電通道和漏、源區域周圍。如果受到漏源電壓向漏方向的吸引，組成通道的電子將通過空乏區自由的從通道中移走。空乏區將沒有載子，而有近似於矽的電阻。任何漏源電壓的增長將增加汲極到夹止點的距離，相對於空乏區增加的電阻和加在漏源上的電壓成正比。這種正比的變化造成漏源電流保持相對固定的對漏源電壓的獨立變化，這和線性模式運行有所不同。儘管在飽和模式下，FET就像一個穩恆電流源而不是電阻，它可以在電壓放大器中大多數有效的運用。在這種情況下，柵源電壓決定了通過通道的固定電流的大小。
用途
[編輯]IGBT在開關內燃機點燃管中有用。快速開關和電壓阻礙能力在內燃機中是非常重要的。
大部分常用的FET是金屬氧化物半導體場效電晶體。互補式金屬氧化物半導體過程技術是現代數碼集成電路的基礎。這個過程技術排列了相連成串的p通道MOSFET和n通道MOSFET（通常在提高模式），使得當一個開，另一個則關。
MOSFET中柵和通道之間的脆弱絕緣層使得它在操作中容易受到靜電損壞。元件在合適的設計電路中安裝後則通常不成問題[來源請求]。
在FET中，當在線性模式下運行，電子能向各個方向流動通過通道。當元件是特別的（但並不是經常的）從源極到汲極的對稱製造，汲極和源極的名稱變化有時是隨機的。這使得FET適合用來開關路程間的模擬訊號（多路技術）。例如，由這一概念，固體混合板就可以被構造出。
參考文獻
[編輯]- ^ 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）
- ^ C Galup-Montoro & Schneider MC. MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. 2007: 83 [2010-04-11]. ISBN 981-256-810-7. （原始內容存檔於2010-01-12）.
- ^ Norbert R Malik. Electronic circuits: analysis, simulation, and design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. 1995: 315–316 [2010-04-11]. ISBN 0-02-374910-5. （原始內容存檔於2009-04-27）.
- ^ RR Spencer & Ghausi MS. Microelectronic circuits. Upper Saddle River NJ: Pearson Education/Prentice-Hall. 2001: 102 [2010-04-11]. ISBN 0-201-36183-3. （原始內容存檔於2010-01-12）.
- ^ A. S. Sedra and K.C. Smith. Microelectronic circuits Fifth Edition. New York: Oxford. 2004: 552 [2010-04-11]. ISBN 0-19-514251-9. （原始內容存檔於2009-02-04）.
- ^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits Fourth Edition. New York: Wiley. 2001: §1.5.2 p. 45 [2010-04-11]. ISBN 0-471-32168-0. （原始內容存檔於2009-04-28）.
參見
[編輯]外部連結
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- PBS The Field Effect Transistor（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Junction Field Effect Transistor
- The Enhancement Mode MOSFET
- CMOS gate circuitry（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Winning the Battle Against Latchup in CMOS Analog Switches（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Nanotube FETs at IBM Research（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Field Effect Transistors in Theory and Practice（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- The Field Effect Transistor as a Voltage Controlled Resistor
