结型场效应晶体管

场效应晶体管是 Julius Lilienfeld 在 1926 年和 1933 年 (1,900,018) 的美国专利中提出的。此外，肖克利、布拉顿和巴丁在 1947 年正在研究场效应晶体管。尽管如此，极端的困难使他们转而发明了双极晶体管。肖克利的场效应晶体管理论于 1952 年发表，但直到 1960 年 John Atalla 制造出工作装置时，材料加工技术才足够成熟。

场效应晶体管 (FET) 是单极 设备，仅使用一种电荷载流子传导电流。如果基于 N 型半导体板，则载流子是电子。相反，基于 P 型的器件仅使用空穴。

FET 操作

在电路层面，场效应晶体管的操作很简单。施加到栅极的电压 ，输入元素，控制通道的电阻 ，栅极区之间的单极区。 （下图）在 N 沟道器件中，这是一个轻掺杂的 N 型硅板，末端带有端子。 来源 并排出 端子分别类似于 BJT 的发射极和集电极。在 N 沟道器件中，板坯中心两侧的重 P 型区域用作控制电极，即栅极。栅极类似于 BJT 的基极。

“清洁次于敬虔”适用于场效应晶体管的制造。尽管可以在洁净室之外制造双极晶体管 ，它是场效应晶体管的必需品。即使在这样的环境中，由于污染控制问题，制造也很棘手。单极场效应晶体管在概念上很简单，但很难制造。今天的大多数晶体管是包含在集成电路中的场效应晶体管的金属氧化物半导体品种（稍后部分）。但是，可以使用分立 JFET 器件。

结型场效应晶体管横截面。

适当偏置的 N 沟道结型场效应晶体管 (JFET) 如上图所示。栅极构成了到源漏半导体板的二极管结。栅极是反向偏置的。如果在源极和漏极之间施加电压（或欧姆表），由于掺杂，N 型条将在任一方向导电。导通不需要栅极和栅极偏置。如果形成如图所示的栅极结，则可以通过反向偏置的程度来控制导通。

下图（a）显示了栅极结处的耗尽区。这是由于空穴从 P 型栅极区域扩散到 N 型沟道，在结周围产生电荷分离，结处有非导电耗尽区。由于重栅掺杂和轻沟道掺杂，耗尽区更深地延伸到沟道侧。

N 沟道 JFET：(a) 栅极二极管耗尽。 (b) 反向偏置栅二极管增加耗尽区。 (c) 增加反向偏置扩大耗尽区。 (d) 增加反向偏置会夹断 S-D 通道。

通过施加适度的反向偏压，可以增加耗尽区的厚度，如上图（b）所示。这通过使沟道变窄而增加了源漏沟道的电阻。在 (c) 处增加反向偏压会增加耗尽区、减小沟道宽度并增加沟道电阻。在 (d) 处增加反向偏置 VGS 将夹断 通道电流。通道电阻将非常高。发生夹断的这个 VGS 是 VP，夹断电压。它通常是几伏。综上所述，可以通过栅极反向偏置的程度来控制沟道电阻。

源极和漏极可以互换，对于低电平漏极电池电压 (<0.6 V)，源极至漏极电流可以向任一方向流动。即，可以用低压交流电源代替耗尽的电池。对于高漏极电源电压，对于小信号设备，可达到 10 伏特，极性必须如下图 (a) 所示。该漏极电源（未在之前的图中显示）扭曲了耗尽区，在栅极的漏极侧扩大了它。这是对从几伏到几十伏的常见 DC 漏极电源电压的更正确表示。随着漏极电压 VDS 的增加，栅极耗尽区向漏极扩展。这增加了窄通道的长度，稍微增加了它的阻力。我们说“一点”是因为较大的电阻变化是由于栅极偏置的变化。下图 (b) 显示了与 (a) 处的硅横截面相比的 N 沟道场效应晶体管的示意图符号。栅极箭头指向与结型二极管相同的方向。

“指向”箭头和“非指向”条分别对应P型和N型半导体。

N沟道JFET电流从漏极到源极的流向（a）横截面，（b）原理图符号。

上图显示了从 (+) 电池端子到 FET 漏极、源极、返回 (-) 电池端子的大电流。该电流可以通过改变栅极电压来控制。与电池串联的负载看到变化的栅极电压的放大版本。

也可以使用 P 沟道场效应晶体管。通道由P型材料制成。栅极是重掺杂的 N 型区域。与更流行的 N 沟道器件相比，所有电压源在 P 沟道电路（下图）中都是反向的。另请注意，箭头指向P沟道场效应晶体管原理图符号(b)的栅极。

P 沟道 JFET：(a) 与 N 沟道器件相比，N 型栅极、P 型沟道、反向电压源。 (b) 注意原理图上的反向栅极箭头和电压源。

随着正栅极偏置电压的增加，P沟道的电阻增加，减少了漏极电路中的电流。

分立器件的横截面如下图所示。横截面的方向与原理图符号相对应，相对于半导体晶片是倒置的。也就是说，栅极连接在晶片的顶部。栅极是重掺杂的 P+，以将空穴很好地扩散到沟道中以形成大的耗尽区。此 N 沟道器件中的源极和漏极连接采用重掺杂 N+ 以降低连接电阻。然而，围绕栅极的沟道是轻掺杂的，以允许来自栅极的空穴深入扩散到沟道中。那就是N-区。

结型场效应晶体管：(a) 分立器件截面图，(b) 原理图符号，(c) 集成电路器件截面图。

对于集成电路版本，所有三个 FET 端子都位于芯片顶部，因此金属化层（未显示）可以互连多个组件。 （上图（c））集成电路 FET 用于模拟电路中的高栅极输入电阻。栅极下方的 N 沟道区必须非常薄，以便栅极周围的本征区可以控制和夹断沟道。因此，不需要沟道两侧的栅极区。

坐

结型场效应晶体管（静电感应型）：（a）横截面，（b）原理图符号。

静电感应场效应晶体管 (SIT) 是一种带有掩埋栅的短沟道器件。 （上图）是功率器件，相对于小信号器件。低栅极电阻和低栅源电容构成了快速开关器件。 SIT 能够承受数百安培和数千伏的电压。而且，据说能够达到令人难以置信的 10 GHz 频率。

金属半导体场效应晶体管（MESFET）：（a）示意图符号，（b）横截面。

MESFET

金属半导体场效应晶体管 (MESFET) 除了栅极是肖特基二极管而不是结二极管之外，它类似于 JFET。 肖特基二极管 与更常见的欧姆接触相比，它是半导体的金属整流接触。在上图中，源极和漏极是重掺杂 (N+)。通道是轻掺杂 (N-)。 MESFET 的速度高于 JFET。 MESFET 是耗尽型器件，通常开启，就像 JFET 一样。它们用作高达 30 GHz 的微波功率放大器。 MESFET 可由硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅和碳的金刚石同素异形体制成。

评论：

• 之所以称为单极结型场效应晶体管（FET 或 JFET），是因为通道中的传导是由一种类型的载流子引起的
• JFET 源极、栅极和漏极分别对应于 BJT 的发射极、基极和集电极。
• 向栅极施加反向偏置会通过扩大栅极二极管耗尽区来改变沟道电阻。

相关工作表：

• 结型场效应晶体管 (JFET) 工作表