现场效应晶体管

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场效应晶体管的横截面视图，显示源，门和排水端

场效应晶体管（ FET ）是一种使用电场来控制半导体中电流流动的晶体管。它有两种类型：连接FET （JFET）和金属氧化物 - 氧化型FET （MOSFET）。 FET有三个端子：源，门和排水。 FET通过将电压施加到门上来控制电流的流，从而改变了排水和源之间的电导率。

FET也称为单极晶体管，因为它们涉及单极晶体管。也就是说，FET使用电子（N通道）或孔（P通道）作为电荷载体，但并非两者兼而有之。存在许多不同类型的现场效应晶体管。场效应晶体管通常在低频下显示出很高的输入阻抗。最广泛使用的场效应晶体管是MOSFET （金属 - 氧化物 - 氧化物 - 官方场效应晶体管）。

历史

更多信息：晶体管的历史
朱利叶斯·埃德加·利利安菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld）在1925年提出了现场效应晶体管的概念。

现场效应晶体管（FET）的概念首先是由奥匈帝国出生的物理学家朱利叶斯·埃德加·利利安菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld）于1925年获得专利的，并于1934年由奥斯卡·海尔（ Oskar Heil）专利，但他们无法根据这个概念来建立一个工作实用的半导体设备。后来，约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·霍尔特（Walter Houser Brattain）在1947年在贝尔实验室（Bell Labs）工作时，在17年的专利到期后不久，约翰·巴丁（ John Bardeen）和沃尔特·霍尔特（Walter Houser Brattain）在威廉·斯波克利（William Shockley）工作时观察到了晶体管效应。 Shockley最初试图通过试图调节半导体的电导率来建立工作FET，但没有成功，这主要是由于表面状态，悬挂式粘结以及也属也要造成的也不合作。在试图理解未能建立工作的Fet背后的神秘原因的过程中，这导致了Bardeen和Brattain，而是在1947年发明了点接触式晶体管，随后是Shockley的双相交界晶体管，于1948年。

成功构建的第一个FET设备是连接场效应晶体管（JFET）。 Heinrich Welker于1945年首次获得JFET的专利。静态感应晶体管（SIT）是一种带有短渠道的JFET，由日本工程师Jun-Ichi Nishizawa和Watanabe发明了。 JFET在1952年，由乔治·德西（ George C. Dacey）和伊恩·罗斯（Ian M.连接晶体管是相对庞大的设备，在大规模生产的基础上很难生产，因此将它们限制在许多专业应用中。理论上将绝缘的栅极现场效应晶体管（IGFET）视为连接晶体管的潜在替代方案，但是研究人员无法构建工作IGFET，这在很大程度上是由于阻止外部电场渗透到材料中的麻烦表面状态屏障。到1950年代中期，研究人员在很大程度上放弃了FET概念，而是专注于双极连接晶体管（BJT）技术。

William Shockley ， John Bardeen和Walter Brattain的工作奠定了MOSFET技术的基础。 Shockley在1945年独立设想了FET概念，但他无法构建工作设备。第二年，巴丁解释了他在表面状态方面的失败。 Bardeen在半导体上应用了表面状态理论（表面状态的先前工作是由Shockley于1939年完成的，1932年的Igor Tamm进行了），并意识到外部场在表面上被阻塞，因为这些电子被吸引到半导体表面。电子被困在形成反转层的那些局部状态中。 Bardeen的假设标志着表面物理学的诞生。巴尔登随后决定使用反转层，而不是Shockley在他的FET设计中设想的非常薄的半导体层。基于他的理论，1948年，巴丁（Bardeen）为MOSFET的祖细胞（一种具有反转层的绝缘栅极FET（IGFET））申请了专利。反转层限制了少数载体的流动，增加了调制和电导率，尽管其电子传输取决于门的绝缘体或氧化物的质量，如果用作绝缘子，则沉积在反转层上方。 Bardeen的专利以及反转层的概念构成了当今CMOS技术的基础。 1976年，Shockley描述了Bardeen的表面状态假设“是半导体计划中最重要的研究思想之一”。

在Bardeen的表面状态理论之后，三人试图克服表面状态的影响。 1947年底，罗伯特·吉布尼（Robert Gibney）和布拉塔（Brattain）建议使用将电解质放置在金属和半导体之间，以克服表面状态的影响。他们的FET设备有效，但是放大效果很差。 Bardeen走得更远，建议专注于反转层的电导率。进一步的实验使他们用固体氧化物层代替电解质，以期获得更好的效果。他们的目标是穿透氧化物层并进入反转层。但是，Bardeen建议他们从矽转换为锗，在此过程中，它们无意中被冲走了。他们偶然发现了完全不同的晶体管，点接触晶体管。莉莲·霍德森（Lillian Hoddeson）辩称，“如果布拉丁（Brattain）和巴尔丁（Bardeen）与硅合作而不是锗合作，他们会偶然发现了成功的野外效应晶体管”。

到1950年代上半叶结束时，遵循Bardeen，Brattain，Kingston，Morrison等的理论和实验性工作，很明显，有两种类型的表面状态。发现快速表面状态与散装和半导体/氧化物界面有关。由于氧化物从环境中吸附的原子，分子和离子的吸附，发现慢的表面状态与氧化物层有关。后者被发现要多得多，并且放松时间更长。当时，菲洛​​·法恩斯沃思（Philo Farnsworth ）和其他人提出了各种产生原子清洁半导体表面的方法。

1955年，卡尔·弗罗奇（Carl Frosch）和林肯·德里克（Lincoln Derrick）意外用一层二氧化矽覆盖了矽晶圆的表面。他们表明，氧化物层阻止了某些掺杂剂进入矽晶片，同时允许其他掺杂剂，从而发现了氧化对半导体表面的钝化作用。他们的进一步工作证明了如何将氧化物层中的小开口蚀刻到矽晶片的选定区域中。 1957年，他们发表了一份研究论文，并为他们的技术进行了专利，总结了他们的工作。他们开发的技术被称为氧化物扩散掩模，后来将用于MOSFET设备的制造。在贝尔实验室，立即意识到了Frosch技术的重要性。他们的作品的结果以BTL备忘录的形式在贝尔实验室散发，然后于1957年出版。在Shockley半导体中，Shockley于1956年12月将其文章的预印本散发给了包括Jean Hoerni在内的所有高级职员。

1955年，伊恩·蒙罗·罗斯（Ian Munro Ross）为FEFET或MFSFET申请了专利。它的结构就像现代的反转通道MOSFET的结构，但铁电材料被用作介电/绝缘子而不是氧化物。他将其设想为一种记忆形式，在浮子MOSFET之前的几年。 1957年2月，约翰·沃尔马克（John Wallmark）为FET申请了一项专利，其中一氧化锗被用作门电介质，但他没有追求这个想法。同年，他在他的另一份专利提交的申请中描述了双门Fet。 1957年3月，在他的实验室笔记本中，贝尔实验室的研究科学家Ernesto Labate设想了类似于后来提议的MOSFET的设备，尽管Labate的设备并未明确使用二氧化矽作为绝缘子。

金属 - 氧化物 - 气门导体FET（MOSFET）

主要文章： MOSFET
穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）（左）和道恩·卡恩（ Dawon Kahng） （右）于1959年发明了MOSFET （MOS现场效应晶体管）。

FET研究的突破是埃及工程师穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）在1950年代后期的工作。 1958年，他提出了实验性工作，该工作表明，在干净的矽表面上生长稀薄的氧化矽会导致表面状态中和。这被称为表面钝化，这种方法对半导体行业至关重要，因为它使矽综合电路成为可能。

然后，穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）和达万·卡恩（Dawon Kahng）于1959年发明了金属 - 氧化物 - 氧化型野外晶体管（MOSFET）。MOSFET在很大程度上取代了双极晶体管和JFET，并对数字电子开发产生了深远的影响。与双极连接晶体管相比，其高可扩展性，更低的功耗和更高的密度，MOSFET使建立高密度集成电路成为可能。 MOSFET还能够处理比JFET更高的功率。 MOSFET是第一个真正的紧凑型晶体管，可以将其微型化和大量生产用于广泛的用途。因此，MOSFET成为计算机，电子和通信技术（例如智能手机）中最常见的晶体管类型。美国专利商标局称其为“改变世界各地生活和文化的开创性发明”。

CMOS （互补MOS）是MOSFET的半导体装置制造过程，由Chih-Tang Sah和Fairchild Semiconductor的Frank Wanlass于1963年开发。首次由Dawon Kahng和Simon Sze于1967年制作了浮动门口MOSFET 。电子技术实验室研究人员Toshihiro Sekigawa和Yutaka Hayashi于1984年首次证明了双门MOSFET。 FinFET （FinFet（Fin Field-Field-field-traptect晶体管）是一种3D非平面多门MOSFET，起源于1989年在日立中央中央研究实验室的Digh Hisamoto和他的团队的研究。

基本信息

另请参阅：收费运营商§多数和少数族裔承运人

FET可以是多数派载体设备，其中电流主要由多数载体或少数派携带者设备携带，其中电流主要是由于少数载流子的流动。该设备由一个活动通道组成，通过该通道，电荷载体，电子或孔从源流到排水管的流动。源和排水端导体通过欧姆接触连接到半导体。通道的电导率是跨栅极和源端子施加的电势的函数。

FET的三个终端是：

  1. 来源，载体进入通道。通常，当前进入S频道的当前由i s指定。
  2. 排水（d），载体通过该通道。通常，当前离开D频道的当前由I D指定。排水到源电压为v ds 。
  3. 栅极（g），调节通道电导率的端子。通过将电压施加到G，可以控制I d 。

有关终端的更多信息

N型MOSFET的横截面

所有FET都有与BJTS的发射极，收集器和基部大致相对应的源，排水和栅极终端。大多数FET的第四端子称为身体，基部，散装或底物。这个第四个端子用来使晶体管偏向运行。在电路设计中，很少会对车身端子进行非平凡的使用，但是在设置集成电路的物理布局时，它的存在很重要。栅极的大小，图中的长度为l ，是源和排水之间的距离。宽度是晶体管的延伸，沿垂直于图中的横截面的方向（即，进入/外出）。通常，宽度远大于门的长度。 1 µm的门长将上部频率限制为约5 GHz，0.2 µm至约30 GHz。

终端的名称是指其功能。门端可能被认为是控制物理门的开口和关闭。该门允许电子通过在源和排水之间创建或消除通道来流过或阻止其通过。从源端子到排水端的电子流动受施加电压的影响。身体只是指门，源和排水的大部分半导体。通常，身体端子连接到电路内的最高或最低电压，具体取决于FET的类型。由于源通常连接到电路内的最高或最低电压，但车身端子和源端子有时会连接在一起，尽管FET有多种用途，这些用途没有这种配置，例如传输门和cascode电路。

与BJT不同，绝大多数FET都是电对称的。因此，源和排水端子可以在实际电路中互换，而操作特性或功能没有变化。当FET似乎在示意图和电路中“向后”连接时，这可能会令人困惑，因为由于其他原因，FET的物理方向（例如印刷电路布局考虑因素）决定了FET的物理方向。

栅极电压对电流的影响

JFET N通道晶体管的I – V特性和输出图
右侧的仿真结果：反转通道（电子密度）和左侧的形成：n渠道纳米线MOSFET中的电流电压曲线（转移特性）。请注意，该设备的阈值电压位于0.45 V左右。
FET传统符号类型

FET通过影响在栅极和源端子上施加的电压（或缺乏电压）产生和影响的“导电通道”的大小和形状来控制电子（或电子孔）从源到排水的流动。 （为简单起见，该讨论假设身体和源连接。）此导电通道是电子从源流到排水的“流”。

N通道FET

在N通道的“耗尽模式”设备中，负门对源电压导致耗尽区域的宽度扩展，并从侧面侵占通道，从而缩小了通道。如果活动区域扩展到完全关闭通道，则通道从源到排水管的电阻变大，并且FET像开关一样有效地关闭（当右图时，当电流很小时，请参见右图）。这称为“捏合”，发生的电压称为“捏电压”。相反，正栅极到源电压增加了通道的大小并允许电子轻松流动（当有传导通道并且电流很大时，请参见正确的图）。

在N通道“增强模式”设备中，晶体管内不存在导电通道，并且需要一个正栅极到源电压来创建一个电压。正压电压吸引体内的自由浮动电子朝向门，形成导电通道。但是首先，必须在门附近吸引足够的电子，以对抗添加到FET体内的掺杂剂离子。这形成一个没有移动载体的区域，称为耗竭区域，并且发生的电压称为FET的阈值电压。进一步的闸门电压增加将吸引更多的电子通向能够创建一个从源到排水的活动通道的门；此过程称为反转。

P通道FET

在P通道“耗尽模式”设备中，从栅极到身体的正电压通过将电子迫使电子到栅极构造器/半导体界面，从而扩大了耗尽层，从而使暴露的无固定载体区域呈固定载物，带正电荷的受体离子。

相反，在P通道“增强模式”设备中，不存在导电区域，必须使用负电压来生成传导通道。

漏极到源电压对通道的影响

对于增强或耗尽模式的设备，在排水到源电压远小于闸门电压，更换栅极电压将改变通道电阻，并且排水电流将与排水电压成正比（参考源（参考源）电压）。在这种模式下，FET像可变电阻一样运行，据说FET在线性模式或欧姆模式下运行。

如果增加漏极到源电压，则由于电源从源到排水管的电压电势梯度，导致通道形状的显著不对称变化。反转区域的形状变为通道的排水端附近的“捏合”。如果进一步增加了排水到源电压，则通道的捏合点开始从排水管向源移动。据说FET处于饱和模式；尽管一些作者将其称为活动模式，但与双极晶体管工作区域更好地类比。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，即使漏极电流与排水电压的线性不大。

即使由栅极到源电压形成的导电通道在饱和模式下不再连接源以排水，但载体也不会阻止流动。再次考虑使用N通道增强模式设备，p型体中存在耗竭区域，围绕导电通道和排水和源区域。如果通过排水到源电压吸引到排水管，则构成通道的电子可以自由移出通道。耗竭区域没有载体，具有类似于矽的电阻。漏极到源电压的任何增加都将增加从排水口到缝隙点的距离，从而增加了耗尽区域的阻力，这与施加的排水 - 源电压成比例。这种比例的变化导致排水 - 源电流保持相对固定，而与在线性操作模式下的欧姆行为完全不同，与漏极到源电压的变化无关。因此，在饱和模式下，FET作为恒流源而不是电阻，并且可以有效地用作电压放大器。在这种情况下，栅极对源电压确定通过通道的常数电流水平。

作品

FET可以由各种半导体构造，矽是迄今为止最常见的。大多数FET是通过使用传统的散装半导体处理技术来制作的，使用单晶体半导体晶片作为活动区域或通道。

在更异常的身体材料中，有无定形矽，多晶矽或薄膜晶体管中的其他无定形半导体或基于有机半导体的有机野外晶体管（ OFET）；通常，OFET栅极绝缘子和电极也由有机材料制成。这样的FET是使用多种材料制造的，例如碳化矽（SIC），砷化衣（GAAS），氮化甲壳虫（GAN）和二甘达（Ingaas）。

2011年6月，IBM宣布已成功使用基于石墨烯的FET在集成电路中。这些晶体管的能力约为2.23 GHz截止频率，比标准矽FET高得多。

类型

典型电压下的耗尽型FET：JFET，Poly-Silicon MOSFET，双门MOSFET，Metal-Gate MOSFET，MESFET。
 消耗
 电子
 孔
 金属
 绝缘子
顶部：来源，底部：排水，左：门，右：散装。未显示导致通道形成的电压。

FET的通道被掺杂以产生N型半导体或P型半导体。在增强模式FET的情况下，排水和源可以与通道相反的类型掺杂，也可以用与耗尽模式FET相似的通道掺杂。场效应晶体管也通过通道和门之间的绝缘方法进行区分。 FET的类型包括：

  • MOSFET （金属 - 氧化物 - 氧化型场效应晶体管）在栅极和身体之间使用绝缘子（通常是SIO 2 ）。这是迄今为止最常见的FET类型。
    • DGMOSFET（ Dual-Gate MOSFET ）或DGMOS，一个带有两个绝缘门的MOSFET。
    • IGBT（绝缘栅极双极晶体管）是用于电源控制的设备。它具有类似于MOSFET的结构，以及双极样的主传导通道。这些通常用于200-3000 V漏极到源电压的操作范围。电源MOSFET仍然是1至200 V的排水到源电压的首选设备。
    • JLNT（无连接纳米线晶体管）是一种场效应晶体管（FET），该晶体管是一个或多个纳米线，并且不存在任何连接。
    • MNOS（金属 - 硝酸盐 - 氧化物 - 氧化晶体管晶体管）利用栅极和身体之间的硝酸氧化物层绝缘子。
    • ISFET （离子敏感的场效应晶体管）可用于测量溶液中的离子浓度。当离子浓度（例如H + ，请参见pH电极）发生变化时，通过晶体管的电流将相应地变化。
    • 生物炉（生物学敏感的场效应晶体管）是基于ISFET技术的一类传感器/生物传感器，用于检测带电的分子。当存在带电的分子时，生物炉表面静电场的变化会导致通过晶体管电流的可测量变化。其中包括酶修饰的FET（ENFET），免疫修饰的FET（免疫），基因修饰的FET（GenFET）， DNAFET ，基于细胞的生物反应（CPFET），甲虫/甲壳虫/片/薯片FETS（Beetlefets）和基于基于离子孔/孔的FET的FET蛋白质结合。
    • DNAFET（ DNA场效应晶体管）是一种专门的FET，它通过使用由单链DNA分子制成的栅极来检测匹配的DNA链。
    • FinFET ，包括高密度处理器芯片上使用的GAAFET或全能FET
  • JFET （连接场效应晶体管）使用反向偏置的P – N连接将门与身体分开。
  • DepFet是在完全消耗的底物中形成的FET，同时充当传感器，放大器和存储节点。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FET）是一种专门的FET，旨在提供非常快速的人体二极管的恢复（转换），使其方便驱动电感载荷，例如电动机，尤其是中型电动机动力无刷直流电动机。
  • 现在主要用于研究中的HIGFET（异质结构绝缘栅场效应晶体管）。
  • MODFET（调制掺杂的场效应晶体管）是一种使用通过活性区域的分级掺杂形成的量子井结构的高电子动力晶体管。
  • TFET（隧道场效应晶体管）基于带对频段的隧道。
  • TQFET（拓扑量子场效应晶体管）使用施加的电场从耗散无拓扑绝缘子（'ON''状态）转换为常规绝缘体（“ OFF”状态）。
  • 可以在藻类（ Algaas）等三元半导体中使用带隙工程制成HEMT （高电子摩托车晶体管），也称为HFET（异质结构FET）。完全耗尽的宽频段材料形成了栅极和身体之间的隔离。
  • MESFET （金属 - 高功率场效应晶体管）用Schottky屏障代替JFET的P – N结；并用于GAAS和其他III-V半导体材料。
  • NOMFET是纳米颗粒有机记忆场效应晶体管。
  • GNRFET（石墨烯纳米替那里晶体管晶体管）用于其通道。
  • VESFET（垂直裂缝的场效应晶体管）是无形的无连接FET，其狭窄的缝隙连接源，并在相对角处沥干。两个大门占据了其他角，并通过缝隙控制电流。
  • CNTFET（碳纳米管场效应晶体管）。
  • OFET（有机场效应晶体管）在其通道中使用有机半导体。
  • QFET（量子场效应晶体管）利用量子隧穿来通过消除传统的晶体管电子传导区域来大大提高晶体管运行速度。
  • SB-FET（Schottky-Barrier场效应晶体管）是具有金属源和排水接触电极的野外晶体管，在源通道和排水通道接口上都会产生Schottky屏障。
  • GFET是一种高度敏感的基于石墨烯的场效应晶体管，用作生物传感器和化学传感器。由于石墨烯的2维结构及其物理特性，GFET提供了提高的灵敏度，并减少了“假阳性”的实例
  • FET在门之间使用铁电，使晶体管在没有偏见的情况下保留其状态 - 这种设备可能将其用作非挥发性存储器。
  • VTFET或垂直传输现场效应晶体管，IBM的2021修改FinFET ，以允许更高的密度和较低的功率。

优点

场效应的晶体管具有高栅极对电流电阻的高度，为100MΩ或更多，在控制和流动之间提供了高度的隔离。由于基本电流的噪声会随着整形时间的增加而增加，因此fet通常比双极连接晶体管（BJT）产生较少的噪声，并且在噪声敏感的电子设备（例如调谐器和VHF和卫星接收器的低噪声放大器）中发现。它在零排水管电流时没有偏移电压，并且是出色的信号斩波器。它通常比BJT具有更好的热稳定性。

由于FET是通过门电荷控制的，因此一旦门闭合或打开，就没有额外的功率绘制，因为在某些状态下将使用双极连接晶体管或非隔离继电器。这允许极低的功率开关，这又可以使电路的微型化更大，因为与其他类型的开关相比，散热需求减少了。

缺点

与双极连接晶体管相比，场效应晶体管具有相对较低的增益带宽产物。 MOSFET非常容易受到过载电压的影响，因此需要在安装过程中进行特殊处理。门和通道之间的MOSFET的脆弱的绝缘层使其容易受到静电放电的影响或在处理过程中对阈值电压的变化。在设备安装在正确设计的电路中后，这通常不是问题。

FET通常具有非常低的“电阻”，并且具有高度的“电阻”。但是，中间电阻很明显，因此FET可以在切换时消散大量功率。因此，效率可以迅速切换，但这可能会导致瞬变，从而激发散落电感并产生明显的电压，这些电压可以将其搭配到栅极并引起无意的切换。因此，FET电路可能需要非常谨慎的布局，并且可以涉及开关速度和功率耗散之间的交易。电压等级和“在”电阻之间也有一个权衡，因此高压FET的电阻相对较高，因此具有相对较高的电阻，因此具有传导损失。

故障模式

现场效应的晶体管相对稳健，尤其是在制造商定义的温度和电气限制（适当衍生）中进行操作时。但是，现代的FET设备通常可以结合体二极管。如果未考虑身体二极管的特征，则FET会经历缓慢的身体二极管行为，在这种情况下，寄生晶体管将打开并允许在FET熄灭时从排水口吸收到源。

用途

最常用的FET是MOSFET 。 CMO （互补金属氧化物半导体）过程技术是现代数字集成电路的基础。该过程技术采用一种布置，其中（通常是“增强模式”）P通道MOSFET和N通道MOSFET串联连接，使得一个打开时，另一个是关闭的。

在FET中，在线性模式下操作时，电子可以在任一方向上通过通道流动。排水端和源端子的命名惯例有些任意，因为这些设备通常（但并非总是）从源到排水的对称对称。这使得FET适用于在路径之间切换模拟信号（多路复用）。有了这个概念，例如可以构建一个固态混合板。 FET通常用作放大器。例如，由于其较大的输入电阻和低输出电阻，因此作为普通批准（源跟随器）配置的缓冲液有效。

IGBT用于切换内燃机点火线圈，其中快速开关和电压阻断功能很重要。

源门控晶体管

源门控晶体管在大区域电子（例如展示屏幕）中对制造和环境问题更强大，但运行速度比FET慢。

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