结型场效应晶体管 (JFET)：设计、操作与进阶变体
场效应晶体管概念溯源 Julius Lilienfeld 1926 和 1933 年美国专利 (1,900,018)。1947 年 Shockley、Brattain、Bardeen 探索该器件，但实际障碍将他们引向双极晶体管。Shockley 开创性理论 1952 年发表，直到 1960 年 John Atalla 制出工作 JFET，标志半导体工艺里程碑。
场效应晶体管 (FET) 是单极器件，仅用单一载流子类型导电。N 型板宿主电子，P 型板宿主空穴。
FET 工作原理
电路层面，栅极电压控制源极与漏极间通道电阻。N 沟道器件中，通道为轻掺 N 型硅板；两侧重掺 P 型区形成栅极，类比 BJT 基极。源极与漏极对应发射极与集电极。
制造 FET 需洁净室环境。微小污染即可破坏器件，制造难度超双极晶体管。今日大多数集成电路采用金属-氧化物-半导体 (MOS) FET，但离散 JFET 仍在用。
结型场效应晶体管横截面。
正偏置 N 沟道 JFET 中，栅极与源漏板形成反向偏置二极管结。源漏间加电压时，轻掺 N 型通道双向导通——无需栅偏置即导通。但给栅极加反偏会扩展耗尽区，增大通道电阻。通道夹断的栅极电压称夹断电压 (VP)，典型几伏。
图 1 展示耗尽区随反偏增长：(a) 初始耗尽，(b) 中等偏置扩大耗尽区，(c) 高偏置收窄通道，(d) 夹断发生，电阻剧增。
源极与漏极可互换，允许低漏极电压 (<0.6 V) 双向导通。高漏极供电 (数十伏) 时，耗尽区向漏极延伸，略增通道电阻。N 沟道 FET 原理图符号如下，栅极箭头指示二极管式结。
N 沟道 JFET：横截面 (a) 与原理图符号 (b)。箭头指向同结二极管。非指向竖杠表示 N 型材料。
P 沟道器件角色反转：通道 P 型、栅极重掺 N 型，所有电压极性相对 N 沟道翻转。原理图箭头从栅极指向外。
P 沟道 JFET：(a) 横截面，(b) 原理图符号。增大正栅偏置增大电阻，减小漏极电流。
离散 JFET 制造时栅极位于晶圆顶面，重掺 P⁺ 提供宽耗尽区，重掺 N⁺ 源/漏最小化接触电阻。轻掺 N⁻ 通道允许栅极诱导耗尽深入穿透。
JFET 器件横截面：(a) 离散器件，(b) 原理图符号，(c) 集成电路布局。
集成电路 FET 将三端子均暴露于芯片表面，使金属化层互联多器件。高频模拟应用中，栅下通道做得极薄，省去两侧栅区。
静态诱导晶体管 (SIT)
SIT 为短沟道、埋栅器件，面向功率处理。具低栅电阻、极小栅源电容，实现快速开关。可输出数百安、数千伏、频率达 10 GHz。
金属-半导体 FET (MESFET)
MESFET 类似 JFET 但用肖特基金属接触作栅极而非结二极管。肖特基栅提供更低电容、更高速度。MESFET 为耗尽模式器件（常开），用作微波功率放大器至 30 GHz。可在硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石制造。
关键要点
- JFET 为单极器件；通道导电依赖单一载流子类型。
- 栅极反偏通过耗尽区扩展控制通道电阻。
- 源极、栅极、漏极直接对应 BJT 发射极、基极、集电极。
- 进阶变体 — SIT 与 MESFET — 将 JFET 原理延伸至高功率与高频应用。
延伸学习
- 结型场效应晶体管 (JFET) 工作表
工业技术