作者| 北灣南巷

出品| 芯片技術與工藝

在現代電子學的宏偉建筑中，場效應晶體管（FET-Field Effect Transistor）是其不可或缺的基石。這些精巧的電子組件以其卓越的性能優勢:低功耗、高輸入阻抗和簡便的偏置需求, 在電子技術的發展史上占據了舉足輕重的地位。從20世紀初期的創新思想和專利申請，到當代的高科技發展和廣泛應用。我們將回顧那些早期科學家們的遠見卓識，他們如何奠定了FETs技術的基礎，并開啟了一系列科技革命。我們還將探索FETs的類型、它們的工作原理以及它們的關鍵規格。

#01FET晶體管：電子革命的先驅

在電子技術的發展史上，場效應晶體管（FET）的誕生標志著一個新時代的開啟。回溯到1926年，朱利葉斯·埃德加·利連菲爾德（Julius Edgar Lilienfeld）首次為這一革命性發明申請了專利。盡管他的設計充滿了前瞻性，但技術挑戰的重重難關使得其實際應用步履維艱。

朱利葉斯·埃德加·利連菲爾德在1925年提出了場效應晶體管的概念

利連菲爾德的FET原型采用了薄金屬膜作為柵極，這一創新設計被沉積在半導體基底之上。然而，金屬與半導體之間的接觸質量欠佳，導致了高電阻和低效的器件性能。加之所用絕緣層的不穩定性，使得該器件難以承受高電壓的考驗。這些技術瓶頸迫切需要突破，以期將FET的應用帶入現實世界。

時間推進到1934年，奧斯卡·海爾（Oskar Heil）為一種類似的器件申請了專利。與利連菲爾德的嘗試相比，海爾的器件雖未遭遇直接的挫敗，但在實際應用中也未能取得顯著的成功。海爾的設計采用了金屬-半導體結，相較于利連菲爾德的金屬氧化物層，這一結構在生產和控制上更具挑戰性，限制了其應用范圍。

盡管如此，海爾的工作并非默默無聞。事實上，他的發明為后來者提供了寶貴的啟示。直到肖克利和他的團隊在貝爾實驗室取得了突破性進展，結型晶體管的誕生才真正揭開了FET潛力的序幕。肖克利、巴丁和布拉頓因共同發明結型晶體管——其中包括了關鍵的結型場效應晶體管——在1956年榮獲了諾貝爾物理學獎。

自那時起，FET技術經歷了翻天覆地的變化，它不僅在20世紀留下了深刻的烙印，更在21世紀繼續作為電子組件的中流砥柱，推動著科技的浪潮不斷向前。FET晶體管的歷史，是一段充滿挑戰與創新的旅程，它的故事仍在繼續，伴隨著每一次技術的飛躍，都在為人類社會的發展貢獻著不可或缺的力量。

#02場效應晶體管（FET)：電子器件的心臟

場效應晶體管（FET）是一種半導體器件，其精巧的構造和獨特的工作原理，使其在電子器件中扮演著心臟般的角色。FET的核心在于其由半導體材料構成的溝道，以及溝道兩端的兩個關鍵電極：漏極（D）和源極(S)。這兩個電極之間的電流流動，受到第三個電極—柵極（G）的精準控制。柵極緊鄰溝道，通過在柵極端施加電壓，可以調節溝道內的載流子數量，進而引發源極和漏極之間電流流動的精細變化。

2.1FET的神秘力量：場效應的魔力

在探索場效應晶體管（FET）的工作原理時，我們仿佛揭開了電子世界中一個神秘力量的面紗。當電壓在柵極電極上被施加時，它在絕緣層上激發出一個電場，這個電場如同一位隱形的指揮家，在溝道中巧妙地塑造出一個耗盡區。這片耗盡區，通過減少溝道中自由載流子的數量，巧妙地降低了溝道的導電性。這一現象，我們稱之為“場效應”，它構成了FET工作的基本原理。

在n型FET的世界里，柵極電極上的負電壓施展其魔法，創造出一個耗盡區，有效減少了從源極流向漏極的電子大軍。而在p型FET的領域中，正電壓的施加則召喚出一個耗盡區，它減少了空穴的流動，從而同樣實現了對電流的精確控制。通過調節柵極電極上的電壓，我們能夠自如地控制溝道的導電性，進而調節FET中的電流流動。

為了更直觀地理解FET的工作原理，我們將其比作一個精巧的水管系統。在這個比喻中，FET的源極就像一個不斷涌出水流的源頭，而漏極則是一個收集這些水流的容器。柵極則扮演著一個關鍵角色——它就像一個控制水流的閥門，通過調節其開啟的程度，決定了水流的強度和方向。

正如閥門通過開啟和關閉來調節水流，柵極端上施加的電壓也控制著從FET的源極到漏極的電流流動。FET利用柵極端上施加的電壓，調節溝道中的載流子數量，從而控制電流的流動。這一過程，不僅僅是電子器件中的一個簡單動作，它是FET在電子世界中施展其魔力的核心機制。

注：在半導體器件的術語中，"P"、"N"通常指的是半導體材料的摻雜類型，這些類型決定了半導體器件的電學特性。

下面是每個術語的具體含義：

1. P型（P-type）：P型半導體是通過在本征（或純凈的）半導體材料中摻雜一定量的三價（penta-valent）雜質元素制成的。這些雜質原子在半導體晶格中替代了一些原有的原子，但它們只有三個自由的價電子可以參與導電，相比周圍的四價半導體原子少了一個電子。因此，P型半導體中的多數載流子是“空穴”（holes），即電子的缺失。三價元素通常是周期表中第13族的元素，也稱為硼族元素。這個族的元素包括硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)和鉈(Tl)等。

2. N型（N-type）：N型半導體是通過在本征半導體中摻雜一定量的五價（pentavalent）雜質元素制成的。這些雜質原子同樣替代了晶格中的原有原子，但它們有五個價電子，多出一個可以自由移動的電子。因此，N型半導體中的多數載流子是自由電子。五價元素通常是周期表中第15族的元素，也稱為氮族元素。這個族的元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)等。

五族元素、三族元素

2.2FET晶體管：電子流動的指揮家

場效應晶體管（FETs），作為電子工程中的精妙構造，以其獨特的方式引導電流的流動。FETs分為兩大陣營：多數載流子器件和少數載流子器件。在多數載流子器件中，電流主要由占多數的載流子—電子或空穴—來攜帶；而在少數載流子器件中，電流的流動則主要依賴于少數載流子。

在FETs的微觀世界里，電子通過一個由半導體材料構成的活性溝道，從源極（S）流向漏極（D）。這一過程中，歐姆接觸如同一座橋梁，將端點導體與半導體材料緊密相連。源極和柵極之間的電位差，如同指揮家的手勢，決定了溝道的導電性，進而影響電流的流動。

FET的三重奏：源極、漏極、柵極

1. 源極（S）：作為電流進入FET的門戶，源極是電子流動的起點（這是載流子進入溝道的端點。），用IS表示其電流。

2. 漏極（D）：電流的終點，電子在這里離開FET（這是載流子離開溝道的端點），用ID表示其電流。漏極和源極之間的電壓VDS，是控制電流跳躍的關鍵力量。

3. 柵極（G）：作為調節溝道導電性的魔術師，這個端點控制源極和漏極之間的導電性，柵極通過電壓的變化，精準控制ID的大小，用IG表示柵極電流，用VGS柵極-源極電壓。柵極的電壓，如同解鎖電流流動的秘密鑰匙。

圖中：體極（Body）：這是構建FET的基底。在離散應用中，它在內部與源極引腳相連，允許完全忽略其效應。然而，在集成電路中，這個引腳通常會連接到NMOS電路中最負的電源（在PMOS電路中為最正的電源），因為許多晶體管將共享它。當涉及體極連接時，仔細的連接和設計對于維持FET性能至關重要。

溝道（Channel）：這是多數載流子從源極端點流向漏極端點的區域。

每個端點的名稱都源于其獨特的功能，它們共同協作，如同現實生活中控制水流的閘門。柵極以其精細的控制能力，可以開啟電子流動的大門，也可以在必要時關閉它們，以阻止電子的通過。

2.3FET的家族：多樣的成員，統一的使命

在半導體器件的廣闊天地中，場效應晶體管（FETs）以其多樣化的類型和統一的使命而獨樹一幟。

它們主要分為兩大家族成員：

1. 結型場效應晶體管（JFET）：作為FET家族的元老，JFET以其簡潔的結構和強大的功能，成為電子世界中的一員虎將。JFET是一種三端半導體電子器件，它既可以作為電子控制的電阻器，也可以作為開關，以其電壓控制的特性，無需偏置電流即可工作。JFET通過調節柵極上的電壓，巧妙地控制源極和漏極之間的電流流動，其秘訣在于電場對耗盡區寬度的精準操控。

JFET進一步分為兩種類型：

N溝道JFET，其中導電是由電子的移動來完成的。

P溝道JFET，其中導電是由空穴的移動來完成的。

在許多電子應用中，N溝道JFET比P溝道JFET更受青睞，因為電子的遷移率比空穴的遷移率更好。

結型場效應晶體管（JFET）是場效應晶體管（FET）最早的類型。電流通過源極到漏極之間的活性溝道流動。柵極和源極之間施加的電壓控制著JFET源極和漏極之間電流的流動。通過在柵極端施加反向偏置電壓，溝道被壓縮，因此電流被完全關閉。這就是為什么JFET被稱為“常開”器件。JFET晶體管有N溝道和P溝道兩種類型。

JFET的奧秘：電壓與耗盡區的舞蹈

JFET的工作原理是電壓與耗盡區之間的一場精妙舞蹈。當柵極到源極的電壓為零時，耗盡區收縮，提供低電阻的電流溝道，此時JFET處于飽和狀態。而當柵極電壓降低，耗盡區擴張，有效溝道寬度減少，JFET變得具有更高的電阻性。反之，柵極電壓的增加則會使耗盡區收縮，溝道導電性增加，JFET的電阻性降低。

N溝道JFET

在N溝道JFET中，溝道摻雜了施主雜質，使其成為N型半導體。因此，通過溝道的電流以電子的形式呈現負值流動。因此得名N溝道JFET。兩個P型基底在其中間部分的兩側摻雜。因此，通過這些高摻雜的P型區域和中間的N型溝道形成了兩個PN結。柵極（G）引線在內部連接到兩個P型端點，而漏極（D）和源極（S）引線連接到N型溝道的任一端。

它如何工作？

當柵極引線未施加電壓時，溝道成為電子流動的寬闊路徑。因此，最大電流從源極流向漏極。電流流動的量由源極和漏極之間的電位差和溝道的內部電阻決定。

但是，當相對于源極在柵極引線上施加負電壓時，會發生相反的情況，使PN結反向偏置。在溝道中形成了一個耗盡區，這使得溝道變窄，增加了源極和漏極之間的溝道電阻，電流流動減少。

P溝道JFET

同樣，在P溝道JFET中，溝道摻雜了受主雜質，使其成為P型半導體。因此，通過溝道的電流以空穴的形式呈現正值流動。因此得名P溝道JFET。溝道的對面重摻雜了N型基底。就像在N溝道JFET中一樣，柵極端點是通過連接兩側的N型區域形成的。源極和漏極端點取自溝道的另外兩側。

其工作原理也類似于N溝道JFET。唯一的區別是您需要提供正的柵極到源極電壓來關閉它。然而，由于電子在導體中的遷移率比空穴高，N溝道JFET具有更大的電流導電性，因為溝道電阻較低。這使得N溝道JFET比P溝道類型更高效。

特性

這里JFET通過直流電源偏置，這將控制JFET的VGS（柵極-源極電壓）。我們可以通過改變VGS來控制漏極和源極之間的施加電壓。從那里，我們可以繪制出JFET的I-V（電流-電壓）特性曲線。

結型場效應晶體管（JFET）的輸出特性是在恒定的柵極-源極電壓（VGS）下，漏極電流（ID）與漏極-源極電壓（VDS）之間的關系繪制而成的，如下圖所示。

截止區（耗盡區pinch-off region）:這是JFET關閉的區域，意味著沒有漏極電流ID從漏極流向源極。

歐姆區(ohmic region):在這個區域，JFET開始對從漏極流向源極的漏極電流ID表現出一定的電阻。通過JFET的電流與施加的電壓成線性關系。

飽和區(saturation region):當漏極-源極電壓達到一個值，使得通過器件的電流與漏極-源極電壓無關，而僅隨柵極-源極電壓變化時，器件被認為是處于飽和區。

擊穿區(breakdown region):當漏極到源極的電壓VDS超過最大閾值，導致耗盡區擊穿時，JFET失去其抵抗電流的能力，漏極電流無限增加。

2.金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）：MOSFET是FET家族中的另一位明星，以其絕緣柵極和對電壓敏感的導電性而著稱。MOSFET具有更大的重要性，是所有晶體管中最有用、最常見的類型。MOSFET幾乎不需要輸入電流就能調節負載電流，這使其在電子信號的切換和放大方面具有顯著的優勢。

MOSFET的魅力：高效率的電子信號處理器

MOSFET以其高效率和對電壓變化的敏感響應，成為電子信號處理的理想選擇。它有兩種模式：增強型和耗盡型。在增強型MOSFET中，柵極電壓的增加會提升其導電性；而在耗盡型中，電壓的增加則會導致導電性下降。

MOSFET器件的主要原理是能夠使用在柵極端施加的電壓來控制源極和漏極之間電壓和電流的流動。位于源極和漏極之間的氧化物層下方的半導體表面，可以通過施加正電壓或負電壓來分別從P型反轉為N型。當我們施加一個排斥力，即正柵極電壓時，那么位于氧化物層下方的空穴被推向下至襯底。耗盡區由與受主原子相關的束縛負電荷組成。當電子到達時，就會形成一個溝道。正電壓還會從n+源極和漏極區域吸引電子進入溝道。現在，如果在漏極和源極之間施加電壓，電流就會自由地在源極和漏極之間流動，柵極電壓控制著溝道中的電子。如果我們不是施加正電壓，而是施加負電壓，那么在氧化物層下方會形成一個空穴。

溝道是通過兩個高摻雜的N型區域擴散到輕摻雜的P型襯底中制成的。這兩個N型區域被稱為漏極和源極，而P型區域被稱為襯底。控制柵極的隔離使得MOSFET的輸入電阻極高，達到兆歐姆（MΩ）的量級，因此幾乎為無窮大。因此，沒有電流被允許流入柵極。

MOSFET的類型

有兩種MOSFET被廣泛使用：

根據工作模式的不同，主要分為兩大類：增強型和耗盡型。這兩類的區別在于柵極電壓對溝道電流的影響方式。在增強型中，柵極電壓的施加增加了溝道中的電流流動；而在耗盡型中，柵極電壓的作用則是減少溝道電流。這一微妙的差異，賦予了在不同電子應用中的獨特價值和功能。

耗盡型MOSFET：

耗盡型MOSFET在沒有柵極電壓時是導通的，類似于一個打開的開關。當柵極到源極電壓（V_GS）為負時，在柵極下方的溝道中會形成一個耗盡區，阻止電流的流動，因此可以用來關閉設備。這種類型的MOSFET因其控制機制而得名，即通過耗盡溝道中的載流子來控制電流。

2. 增強型MOSFET：

增強型MOSFET在沒有柵極電壓或柵極電壓低于閾值電壓時是關閉狀態。為了打開N溝道MOSFET，需要在柵極和源極之間施加正電壓，這會在柵極下方吸引電子形成導電溝道。隨著施加的正電壓增加，導電溝道的寬度增加，從而增加了從源極到漏極的電流流動。對于P溝道MOSFET，則需要施加負電壓來吸引空穴形成導電溝道。

進一步來說，耗盡型和增強型MOSFET被分類為N溝道和P溝道類型。

N溝道MOSFET：

N溝道MOSFET在源極和漏極之間有一個N型溝道。在這里，源極和柵極被重摻雜N型半導體，而襯底則摻雜有P型半導體材料。因此，源極和漏極之間的電流流動是由電子引起的，并且電流流動由柵極電壓控制。

2. P溝道MOSFET：

同樣，P溝道MOSFET在源極和漏極之間有一個P型溝道。在這里，源極和柵極被重摻雜P型半導體，而襯底則摻雜有N型半導體材料。因此，源極和漏極之間的電流流動是由空穴引起的，并且電流流動由柵極電壓控制。

2.4FET在電子世界中的應用廣泛而深遠

在混頻器電路中，FET通過限制低互調失真，保證了信號的純凈度。

FET的小尺寸耦合電容器使其成為低頻放大器的理想選擇。

作為運算放大器中的可變電壓電阻器，FET以其電壓控制特性，為信號處理提供了靈活性。

FET的大輸入阻抗使其成為示波器、電壓表等測量工具的必備輸入放大器。

在調頻（FM）設備的無線電頻率放大器中，FET以其高效率和低噪聲特性，保證了信號的清晰傳輸。

FET在電視和調頻接收機的混頻操作中，扮演著至關重要的角色。

得益于其小尺寸，FET在LSI（大規模集成電路）和計算機存儲模塊中也有著不可替代的地位。

FET，作為電子技術中的多面手，以其多樣化的類型和廣泛的應用，不斷推動著電子世界的發展和創新。

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