您的大腦包含約1000億個稱為神經(jīng)元的細胞，這些微小的開關(guān)可讓您思考和記住事物。 計算機還包含數(shù)十億個微型“腦細胞”。 它們被稱為晶體管，由硅制成，硅是沙子中常見的化學(xué)元素。 自從半個多世紀前John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley發(fā)明晶體管以來，晶體管就徹底改變了電子技術(shù)。 但是它們是什么？它們?nèi)绾喂ぷ鳎?/p>

場效應(yīng)晶體管FET是一種三端有源器件，它使用電場來控制電流，并且具有高輸入阻抗，這在許多電路中都很有用。場效應(yīng)晶體管FET是在電子工業(yè)的許多領(lǐng)域中使用的關(guān)鍵電子組件。從射頻技術(shù)到功率控制和電子開關(guān)再到一般放大等領(lǐng)域，F(xiàn)ET用在許多由分立電子元件構(gòu)成的電路中。但是場效應(yīng)晶體管FET的主要用途是在集成電路內(nèi)部。在此應(yīng)用中，F(xiàn)ET電路的功耗比使用雙極晶體管技術(shù)的IC低得多。這使得超大規(guī)模集成電路能夠操作。如果使用雙極技術(shù)，則功耗將大幾個數(shù)量級，并且產(chǎn)生的功率太大而無法從集成電路中耗散掉。

除了用于集成電路之外，分立版本的場效應(yīng)晶體管還可用作含鉛電子組件和表面貼裝器件。一系列場效應(yīng)晶體管-2N7000 N溝道MOSFET-盡管它們有許多表面貼裝器件，但它們都是帶引線的電子組件。

場效應(yīng)晶體管FET歷史

在將第一批FET引入電子元件市場之前，這一概念已經(jīng)存在了很多年。在實現(xiàn)這種類型的設(shè)備并使之工作方面存在許多困難。

1926年Lilienfield的一篇論文概述了場效應(yīng)晶體管的一些早期概念，而Heil于1935年的另一篇論文概述了一些早期的概念。

下一個基金會是在1940年代貝爾實驗室成立的，在那里半導(dǎo)體研究小組得以成立。該小組研究了與半導(dǎo)體和半導(dǎo)體技術(shù)有關(guān)的許多領(lǐng)域，其中一個領(lǐng)域是可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體通道中流過的電流的設(shè)備，從而在電場附近施加電場。

在這些早期實驗中，研究人員無法使這個想法付諸實踐，無法將他們的想法轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€想法，并最終發(fā)明了另一種形式的半導(dǎo)體電子元件：雙極晶體管。

在此之后，大部分半導(dǎo)體研究都集中在改進雙極晶體管上，并且一段時間以來，對于場效應(yīng)晶體管的想法還沒有得到充分研究。現(xiàn)在，F(xiàn)ET已被廣泛使用，在許多集成電路中提供了主要的有源元件。沒有這些電子組件，電子技術(shù)將與現(xiàn)在的技術(shù)大不相同。

場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)知識

場效應(yīng)晶體管的概念基于以下概念：附近物體上的電荷可以吸引半導(dǎo)體通道內(nèi)的電荷。它實際上是利用電場效應(yīng)來運作的，因此得名。

FET由一個半導(dǎo)體通道組成，該半導(dǎo)體通道的兩端都有電極，稱為漏極和源極。

稱為柵極的控制電極非常靠近通道放置，因此其電荷能夠影響通道。

這樣，F(xiàn)ET的柵極控制從源極流到漏極的載流子（電子或空穴）的流動。它通過控制導(dǎo)電通道的大小和形狀來實現(xiàn)。

發(fā)生電流流動的半導(dǎo)體溝道可以是P型或N型。這產(chǎn)生了兩種類型或類別的FET，稱為P溝道和N溝道FET。

除此之外，還有另外兩個類別。增大柵極上的電壓會耗盡或增加通道中可用載流子的數(shù)量。結(jié)果，存在增強型FET和耗盡型FET。

由于只有電場才控制通道中流動的電流，因此該設(shè)備被認為是電壓驅(qū)動的，并且具有很高的輸入阻抗，通常為許多兆歐。與電流操作且具有低得多的輸入阻抗的雙極晶體管相比，這可能是一個明顯的優(yōu)勢。

場效應(yīng)管電路

從具有分立電子元件的電路中使用的場效應(yīng)晶體管到集成電路中所使用的晶體管，場效應(yīng)晶體管被廣泛用于所有形式的電路中。

關(guān)于場效應(yīng)晶體管電路設(shè)計的注意事項：

盡管三種基本配置是公共源極，公共漏極（源極跟隨器）和公共柵極，但場效應(yīng)晶體管可以用于多種類型的電路。電路設(shè)計本身非常簡單，可以很容易地進行。

由于場效應(yīng)晶體管是電壓驅(qū)動的器件，而不是像雙極晶體管那樣的電流器件，因此這意味著電路的某些方面非常不同：尤其是偏置裝置。但是，采用FET的電子電路設(shè)計相對容易-與使用雙極型晶體管的電路略有不同。

使用FET，可以設(shè)計電路，例如電壓放大器，緩沖器或電流跟隨器，振蕩器，濾波器等等，并且這些電路與雙極晶體管甚至熱電子閥/真空管的電路非常相似。有趣的是，閥/管也是電壓操作的設(shè)備，因此，即使在偏置裝置方面，它們的電路也非常相似。

場效應(yīng)晶體管類型

有很多方法可以定義可用的不同類型的FET。不同的類型意味著在電子電路設(shè)計期間，可以為電路選擇合適的電子組件。通過選擇正確的器件，可以為給定的電路獲得最佳性能。

FET可以通過多種方式進行分類，但是下面的樹形圖可以涵蓋FET的一些主要類型。

市場上有許多不同類型的FET，其名稱各不相同。以下是一些主要類別的延遲。

結(jié)FET/JFET：結(jié)FET或JFET使用反向偏置的二極管結(jié)來提供柵極連接。該結(jié)構(gòu)由可以是N型或P型的半導(dǎo)體通道組成。然后，以使二極管上的電壓影響FET溝道的方式將半導(dǎo)體二極管制造到溝道上。

在工作中，這是反向偏置的，這意味著它與通道有效隔離-只有二極管反向電流可以在兩者之間流動。JFET是最基本的FET類型，也是最早開發(fā)的類型。但是，它仍然在許多電子領(lǐng)域提供出色的服務(wù)。

絕緣柵極FET/金屬氧化物硅FET MOSFET：MOSFET在柵極和溝道之間使用絕緣層。通常，其由半導(dǎo)體的氧化物層形成。

IGFET名稱是指具有絕緣柵的任何類型的FET。IGFET最常見的形式是硅MOSFET-金屬氧化物硅FET。在此，柵極由一層金屬層制成，該金屬層位于氧化硅上，而氧化硅又位于硅溝道上。MOSFET廣泛用于電子學(xué)的許多領(lǐng)域，尤其是在集成電路中。

IGFET/MOSFET的關(guān)鍵因素是這些FET能夠提供的極高的柵極高阻抗。就是說，將有一個相關(guān)的電容，隨著頻率的升高，這將減小輸入阻抗。

雙柵極MOSFET：這是MOSFET的一種特殊形式，沿通道具有兩個串聯(lián)的柵極。與單柵極設(shè)備相比，這可以實現(xiàn)一些顯著的性能改進，尤其是在射頻方面。

MOSFET的第二個柵極在輸入和輸出之間提供了額外的隔離，此外，它還可用于混合/乘法等應(yīng)用。

MESFET：金屬硅FET通常使用砷化鎵制造，通常被稱為GaAs FET。GaAsFET通常用于可提供高增益，低噪聲性能的RF應(yīng)用。GaAsFET技術(shù)的缺點之一是柵極結(jié)構(gòu)非常小，這使其對靜電，ESD的損壞非常敏感。處理這些設(shè)備時必須格外小心。

HEMT/PHEMT：高電子遷移率晶體管和偽高電子遷移率晶體管是基本FET概念的發(fā)展，但經(jīng)過開發(fā)可實現(xiàn)非常高的頻率操作。盡管價格昂貴，但它們可以實現(xiàn)很高的頻率和高水平的性能。

FinFET：FinFET技術(shù)現(xiàn)在正在集成電路中使用，以通過允許更小的特征尺寸來實現(xiàn)更高級別的集成。由于需要更高的密度級別，并且越來越難以實現(xiàn)越來越小的特征尺寸，因此FinFET技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

VMOS：垂直MOS的VMOS標準。這是一種使用垂直電流來改善開關(guān)和載流性能的FET。VMOS FET廣泛用于電源應(yīng)用。

盡管在文獻中還可以看到其他類型的場效應(yīng)晶體管，但這些類型通常是特定技術(shù)的商品名，它們是上面列出的某些FET類型的變體。

場效應(yīng)管規(guī)格

除了為任何給定的電路選擇特定類型的場效應(yīng)晶體管外，還必須了解不同的規(guī)格。通過這種方式，可以確保FET將按照要求的性能參數(shù)運行。

FET規(guī)范包括從允許的最大電壓和電流到電容電平和跨導(dǎo)的所有內(nèi)容。這些都在確定任何特定FET是否適合給定電路或應(yīng)用中發(fā)揮著作用。

場效應(yīng)晶體管技術(shù)可用于許多不適合使用雙極型晶體管的領(lǐng)域：這些半導(dǎo)體器件中的每一個都有其自身的優(yōu)缺點，并且可以在許多電路中發(fā)揮巨大作用。場效應(yīng)晶體管具有很高的輸入阻抗，是一種電壓驅(qū)動的器件，這使其可以在許多領(lǐng)域中使用。

FET數(shù)據(jù)手冊包含許多不同的參數(shù)和規(guī)格，這些參數(shù)和規(guī)格定義了特定FET類型的性能。

在開發(fā)新電路或更換現(xiàn)有FET時，重要的是要了解數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)的不同參數(shù)和規(guī)格，以便可以選擇和使用正確的器件。

所有規(guī)格和參數(shù)在不同的應(yīng)用中都很重要。同樣取決于器件，F(xiàn)ET數(shù)據(jù)表可能會引用與器件所針對的特定參數(shù)相關(guān)的不同參數(shù)。

FET數(shù)據(jù)表的主要規(guī)格和參數(shù)

數(shù)據(jù)表中使用的一些主要FET規(guī)格定義如下。其中一些參數(shù)對于不同類型的FET（例如JFET）特別重要，而其他一些參數(shù)可能更適用于MOSFET等。

柵極源電壓V GS： FET參數(shù)V GS是柵極和源極端子之間可以承受的最大電壓的額定值。在數(shù)據(jù)手冊中包括此參數(shù)的目的是為了防止損壞柵極氧化物。實際的柵極氧化耐受電壓通常遠高于此值，但由于制造過程中存在的公差而會發(fā)生變化。建議保持在此額定值范圍內(nèi)，以保持設(shè)備的可靠性。通常，許多設(shè)計規(guī)則表明該設(shè)備只能運行至該額定功率的60％或70％。

漏極-源極電壓V DSS：這是在不引起雪崩擊穿的情況下可以施加的最大漏極-源極電壓的額定值。該參數(shù)通常針對柵極與源極短路以及溫度為25°C的情況給出。根據(jù)溫度，雪崩擊穿電壓實際上可能小于V DSS額定值。

設(shè)計電路時，始終最好在要承受的最大電壓和V DSS規(guī)范之間留出較大的余量。通常，它們可以在50％V DSS左右運行以確保可靠性。

柵極反向漏電流Igss：

閾值電壓V GS（TH）： 閾值電壓V GS（TH）是可以在源極和漏極之間形成導(dǎo)電通道的最小柵極電壓。通常針對給定的源極漏極電流引用該值。

零柵極電壓I dss時的漏極電流：此FET參數(shù)是在設(shè)備完全開啟時設(shè)備可以承受的最大連續(xù)電流。通常，它是針對特定溫度（通常為25°C）指定的。

該FET規(guī)范基于結(jié)至外殼的熱阻額定值RθJC（結(jié)/溝道溫度）和外殼溫度。

該FET參數(shù)對于功率MOSFET尤其重要，當確定最大電流參數(shù)時，不考慮開關(guān)損耗。在實踐中也將殼體保持在25℃是不可行的。結(jié)果，實際開關(guān)電流應(yīng)限制為小于I dss的一半在硬開關(guān)應(yīng)用中TC = 25°C額定值時。通常使用三分之一到四分之一的值。

柵源截止電壓VGS（off）： 柵源截止電壓實際上是一個關(guān)斷指標。它定義了給定殘余電流的閾值電壓，因此該設(shè)備基本上處于關(guān)閉狀態(tài)，但處于開啟狀態(tài)。閾值電壓具有負溫度系數(shù)，即，它隨溫度升高而降低。該溫度系數(shù)還會影響開啟和關(guān)閉延遲時間，從而影響某些電路。

正向跨導(dǎo)G fs：

輸入電容C iss： FET的輸入電容參數(shù)是在柵極和源極端子之間測量的電容，漏極與AC信號的源極短路。換句話說，這實際上是柵極和溝道之間的電容。C iss由與柵極至源極電容C gs并聯(lián)的柵極至漏極電容C gd組成。可以表示為：

漏極-源極導(dǎo)通電阻，R ds（on）：在FET硬導(dǎo)通的情況下，這是在漏極和源極之間的溝道上展現(xiàn)的電阻（以歐姆為單位）。在從邏輯切換到電源切換的應(yīng)用以及RF切換（包括混頻器的應(yīng)用）中，這一點尤其重要。FET通常能夠提供良好的開關(guān)性能，并且具有相對較低的R ds（on）值。

功耗，P tot：該FET規(guī)范詳細說明了器件可以消耗的最大連續(xù)功率。功耗通常在空氣中獨立放置，或?qū)⒌鬃３衷诮o定溫度（通常為25°C）下指定。實際條件，無論是放在散熱器中還是在自由空氣中，都將取決于設(shè)備類型和制造商。顯然，功率FET在保持在散熱器上的情況下更可能詳述，而自由空氣條件適用于信號FET。

FET數(shù)據(jù)表包含許多不同的參數(shù)和規(guī)格，以定義FET的性能。這些都在各種數(shù)據(jù)表中列出，這將使正確選擇FET成為可能。

晶體管在計算器和計算機中如何工作？

實際上，除非您要設(shè)計用于生活的計算機芯片，否則您不需要了解任何有關(guān)電子和空穴的知識！您需要知道的是，晶體管的工作原理類似于放大器或開關(guān)，它使用較小的電流來接通較大的晶體管。但是還有另一件事需要了解：這一切如何幫助計算機存儲信息并做出決策？

我們可以將幾個晶體管開關(guān)放在一起，以形成稱為邏輯門的東西，該邏輯門比較多個輸入電流并提供不同的輸出。邏輯門使計算機可以使用稱為布爾代數(shù)的數(shù)學(xué)技術(shù)做出非常簡單的決策。您的大腦以同樣的方式做出決策。例如，使用有關(guān)天氣和走廊上的東西的“輸入”（您知道的東西），您可以做出這樣的決定：“如果下雨了，我?guī)Я擞陚悖視ド痰辍薄＿@是使用“與”運算符的布爾代數(shù)的示例（單詞“ operator”只是一些數(shù)學(xué)術(shù)語，使事情看起來比實際復(fù)雜得多）。您可以與其他運營商做出類似的決定。“如果有風(fēng)或正在下雪，那么我會穿上外套”是使用OR運算符的示例。或“如果下雨了，我有雨傘或我有一件外套，那沒關(guān)系”。使用AND，OR和其他運算符NOR，XOR，NOT和NAND，計算機可以累加或比較二進制數(shù)。這個想法是計算機程序：使計算機執(zhí)行操作的邏輯指令系列。

通常，當沒有基極電流時，結(jié)型晶體管會“截止”，而當基極電流流動時，結(jié)型晶體管會變?yōu)椤皩?dǎo)通”。這意味著需要電流才能打開或關(guān)閉晶體管。但是像這樣的晶體管可以與邏輯門相連，因此它們的輸出連接會反饋到其輸入中。然后，即使去除了基極電流，晶體管也會保持導(dǎo)通狀態(tài)。每次有新的基極電流流過時，晶體管就會“翻轉(zhuǎn)”開或關(guān)。它保持在那些穩(wěn)定狀態(tài)之一（開或關(guān)），直到出現(xiàn)另一種電流并以另一種方式翻轉(zhuǎn)它。這種安排被稱為觸發(fā)器，它將晶體管變成一個簡單的存儲設(shè)備，該設(shè)備存儲一個零（關(guān)閉時）或一個（打開時）。計算機內(nèi)存芯片。

誰發(fā)明了晶體管？

圖稿：點接觸晶體管的原始設(shè)計，如John Bardeen和Walter Brattain的美國專利（2，524，035）所述，該專利于1948年6月（原始發(fā)現(xiàn)之后約六個月）提交，并于1950年10月3日授予。簡單的PN晶體管，在N型鍺（橙色）的下層上有一層薄的P型鍺（黃色）。三個觸點是發(fā)射極（E，紅色），集電極（C，藍色）和基極（G，綠色）。您可以在以下參考文獻中列出的原始專利文件中閱讀更多內(nèi)容。藝術(shù)品由美國專利商標局提供。

1947年，三位杰出的美國物理學(xué)家在新澤西州的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管：約翰·巴丁（1908–1991），沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）（1902–1987）和威廉·肖克利（1910–1989）。

由肖克利（Shockley）領(lǐng)導(dǎo)的團隊一直在嘗試為美國電話系統(tǒng)開發(fā)一種新型放大器，但是他們實際發(fā)明的放大器卻得到了更為廣泛的應(yīng)用。Bardeen和Brattain于1947年12月16日星期二制造了第一個實用晶體管（稱為點接觸晶體管）。盡管Shockley在該項目中發(fā)揮了很大作用，但他為被淘汰而感到憤怒和激動。此后不久，他在一次物理會議上的旅館住宿期間，一手搞清楚了結(jié)型晶體管的原理，這是一種比點接觸型晶體管更好的器件。

當Bardeen離開Bell Labs成為一名學(xué)者（他繼續(xù)在伊利諾伊大學(xué)學(xué)習(xí)超導(dǎo)體的過程中獲得了更大的成功）時，Brattain呆了一段時間，然后退休成為一名老師。肖克利成立了自己的晶體管制造公司，并幫助激發(fā)了現(xiàn)代現(xiàn)象，即“硅谷”（硅谷）（電子公司聚集在加利福尼亞州帕洛阿爾托附近的繁華地區(qū)）。他的兩名員工Robert Noyce和Gordon Moore繼續(xù)創(chuàng)立了世界上最大的微芯片制造商Intel。

幾年后，Bardeen，Brattain和Shockley短暫團聚，因為他們的發(fā)現(xiàn)而獲得了世界最高科學(xué)獎 1956年諾貝爾物理學(xué)獎。
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