在现代电子学的宏伟建筑中，场效应晶体管（FET-Field Effect Transistor）是其不可或缺的基石。这些精巧的电子组件以其卓越的性能优势: 低功耗、高输入阻抗和简便的偏置需求, 在电子技术的发展史上占据了举足轻重的地位。从20世纪初期的创新思想和专利申请，到当代的高科技发展和广泛应用。我们将回顾那些早期科学家们的远见卓识，他们如何奠定了FETs技术的基础，并开启了一系列科技革命。我们还将探索FETs的类型、它们的工作原理以及它们的关键规格。
#01
FET晶体管：电子革命的先驱
朱利叶斯·埃德加·利连菲尔德在1925年提出了场效应晶体管的概念
利连菲尔德的FET原型采用了薄金属膜作为栅极，这一创新设计被沉积在半导体基底之上。然而，金属与半导体之间的接触质量欠佳，导致了高电阻和低效的器件性能。加之所用绝缘层的不稳定性，使得该器件难以承受高电压的考验。这些技术瓶颈迫切需要突破，以期将FET的应用带入现实世界。
时间推进到1934年，奥斯卡·海尔（Oskar Heil）为一种类似的器件申请了专利。与利连菲尔德的尝试相比，海尔的器件虽未遭遇直接的挫败，但在实际应用中也未能取得显著的成功。海尔的设计采用了金属-半导体结，相较于利连菲尔德的金属氧化物层，这一结构在生产和控制上更具挑战性，限制了其应用范围。
尽管如此，海尔的工作并非默默无闻。事实上，他的发明为后来者提供了宝贵的启示。直到肖克利和他的团队在贝尔实验室取得了突破性进展，结型晶体管的诞生才真正揭开了FET潜力的序幕。肖克利、巴丁和布拉顿因共同发明结型晶体管——其中包括了关键的结型场效应晶体管——在1956年荣获了诺贝尔物理学奖。
自那时起，FET技术经历了翻天覆地的变化，它不仅在20世纪留下了深刻的烙印，更在21世纪继续作为电子组件的中流砥柱，推动着科技的浪潮不断向前。FET晶体管的历史，是一段充满挑战与创新的旅程，它的故事仍在继续，伴随着每一次技术的飞跃，都在为人类社会的发展贡献着不可或缺的力量。
#02
场效应晶体管（FET)：电子器件的心脏
场效应晶体管（FET）是一种半导体器件，其精巧的构造和独特的工作原理，使其在电子器件中扮演着心脏般的角色。FET的核心在于其由半导体材料构成的沟道，以及沟道两端的两个关键电极：漏极（D）和源极(S)。这两个电极之间的电流流动，受到第三个电极—栅极（G）的精准控制。栅极紧邻沟道，通过在栅极端施加电压，可以调节沟道内的载流子数量，进而引发源极和漏极之间电流流动的精细变化。
2.1
FET的神秘力量：场效应的魔力
在探索场效应晶体管（FET）的工作原理时，我们仿佛揭开了电子世界中一个神秘力量的面纱。当电压在栅极电极上被施加时，它在绝缘层上激发出一个电场，这个电场如同一位隐形的指挥家，在沟道中巧妙地塑造出一个耗尽区。这片耗尽区，通过减少沟道中自由载流子的数量，巧妙地降低了沟道的导电性。这一现象，我们称之为“场效应”，它构成了FET工作的基本原理。
在n型FET的世界里，栅极电极上的负电压施展其魔法，创造出一个耗尽区，有效减少了从源极流向漏极的电子大军。而在p型FET的领域中，正电压的施加则召唤出一个耗尽区，它减少了空穴的流动，从而同样实现了对电流的精确控制。通过调节栅极电极上的电压，我们能够自如地控制沟道的导电性，进而调节FET中的电流流动。
为了更直观地理解FET的工作原理，我们将其比作一个精巧的水管系统。在这个比喻中，FET的源极就像一个不断涌出水流的源头，而漏极则是一个收集这些水流的容器。栅极则扮演着一个关键角色——它就像一个控制水流的阀门，通过调节其开启的程度，决定了水流的强度和方向。
正如阀门通过开启和关闭来调节水流，栅极端上施加的电压也控制着从FET的源极到漏极的电流流动。FET利用栅极端上施加的电压，调节沟道中的载流子数量，从而控制电流的流动。这一过程，不仅仅是电子器件中的一个简单动作，它是FET在电子世界中施展其魔力的核心机制。
注：在半导体器件的术语中，'P'、'N'通常指的是半导体材料的掺杂类型，这些类型决定了半导体器件的电学特性。
下面是每个术语的具体含义：
1. P型（P-type）：P型半导体是通过在本征（或纯净的）半导体材料中掺杂一定量的三价（penta-valent）杂质元素制成的。这些杂质原子在半导体晶格中替代了一些原有的原子，但它们只有三个自由的价电子可以参与导电，相比周围的四价半导体原子少了一个电子。因此，P型半导体中的多数载流子是 “空穴” （holes），即电子的缺失。三价元素通常是周期表中第13族的元素，也称为硼族元素。这个族的元素包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和铊 (Tl)等。
2. N型（N-type）：N型半导体是通过在本征半导体中掺杂一定量的五价（pentavalent）杂质元素制成的。这些杂质原子同样替代了晶格中的原有原子，但它们有五个价电子，多出一个可以自由移动的电子。因此，N型半导体中的多数载流子是自由电子。五价元素通常是周期表中第15族的元素，也称为氮族元素。这个族的元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋 (Bi)等。
五族元素、三族元素
2.2
FET晶体管：电子流动的指挥家
场效应晶体管（FETs），作为电子工程中的精妙构造，以其独特的方式引导电流的流动。FETs分为两大阵营：多数载流子器件和少数载流子器件。在多数载流子器件中，电流主要由占多数的载流子—电子或空穴—来携带；而在少数载流子器件中，电流的流动则主要依赖于少数载流子。
在FETs的微观世界里，电子通过一个由半导体材料构成的活性沟道，从源极（S）流向漏极（D）。这一过程中，欧姆接触如同一座桥梁，将端点导体与半导体材料紧密相连。源极和栅极之间的电位差，如同指挥家的手势，决定了沟道的导电性，进而影响电流的流动。
1. 源极（S）：作为电流进入FET的门户，源极是电子流动的起点（这是载流子进入沟道的端点。），用IS表示其电流。
2. 漏极（D）：电流的终点，电子在这里离开FET（这是载流子离开沟道的端点），用ID表示其电流。漏极和源极之间的电压VDS，是控制电流跳跃的关键力量。
3. 栅极（G）：作为调节沟道导电性的魔术师，这个端点控制源极和漏极之间的导电性，栅极通过电压的变化，精准控制ID的大小，用IG表示栅极电流，用VGS栅极-源极电压。栅极的电压，如同解锁电流流动的秘密钥匙。
图中：体极（Body）：这是构建FET的基底。在离散应用中，它在内部与源极引脚相连，允许完全忽略其效应。然而，在集成电路中，这个引脚通常会连接到NMOS电路中最负的电源（在PMOS电路中为最正的电源），因为许多晶体管将共享它。当涉及体极连接时，仔细的连接和设计对于维持FET性能至关重要。
沟道（Channel）：这是多数载流子从源极端点流向漏极端点的区域。
每个端点的名称都源于其独特的功能，它们共同协作，如同现实生活中控制水流的闸门。栅极以其精细的控制能力，可以开启电子流动的大门，也可以在必要时关闭它们，以阻止电子的通过。
2.3
FET的家族：多样的成员，统一的使命
在半导体器件的广阔天地中，场效应晶体管（FETs）以其多样化的类型和统一的使命而独树一帜。
它们主要分为两大家族成员：
1. 结型场效应晶体管（JFET）：作为FET家族的元老，JFET以其简洁的结构和强大的功能，成为电子世界中的一员虎将。JFET是一种三端半导体电子器件，它既可以作为电子控制的电阻器，也可以作为开关，以其电压控制的特性，无需偏置电流即可工作。JFET通过调节栅极上的电压，巧妙地控制源极和漏极之间的电流流动，其秘诀在于电场对耗尽区宽度的精准操控。
JFET进一步分为两种类型：
N沟道JFET，其中导电是由电子的移动来完成的。
P沟道JFET，其中导电是由空穴的移动来完成的。
在许多电子应用中，N沟道JFET比P沟道JFET更受青睐，因为电子的迁移率比空穴的迁移率更好。
结型场效应晶体管（JFET）是场效应晶体管（FET）最早的类型。电流通过源极到漏极之间的活性沟道流动。栅极和源极之间施加的电压控制着JFET源极和漏极之间电流的流动。通过在栅极端施加反向偏置电压，沟道被压缩，因此电流被完全关闭。这就是为什么JFET被称为 “常开” 器件。JFET晶体管有N沟道和P沟道两种类型。
JFET的奥秘：电压与耗尽区的舞蹈
JFET的工作原理是电压与耗尽区之间的一场精妙舞蹈。当栅极到源极的电压为零时，耗尽区收缩，提供低电阻的电流沟道，此时JFET处于饱和状态。而当栅极电压降低，耗尽区扩张，有效沟道宽度减少，JFET变得具有更高的电阻性。反之，栅极电压的增加则会使耗尽区收缩，沟道导电性增加，JFET的电阻性降低。
N沟道JFET
在N沟道JFET中，沟道掺杂了施主杂质，使其成为N型半导体。因此，通过沟道的电流以电子的形式呈现负值流动。因此得名N沟道JFET。两个P型基底在其中间部分的两侧掺杂。因此，通过这些高掺杂的P型区域和中间的N型沟道形成了两个PN结。栅极（G）引线在内部连接到两个P型端点，而漏极（D）和源极（S）引线连接到N型沟道的任一端。
它如何工作？
当栅极引线未施加电压时，沟道成为电子流动的宽阔路径。因此，最大电流从源极流向漏极。电流流动的量由源极和漏极之间的电位差和沟道的内部电阻决定。
但是，当相对于源极在栅极引线上施加负电压时，会发生相反的情况，使PN结反向偏置。在沟道中形成了一个耗尽区，这使得沟道变窄，增加了源极和漏极之间的沟道电阻，电流流动减少。
P沟道JFET
同样，在P沟道JFET中，沟道掺杂了受主杂质，使其成为P型半导体。因此，通过沟道的电流以空穴的形式呈现正值流动。因此得名P沟道JFET。沟道的对面重掺杂了N型基底。就像在N沟道JFET中一样，栅极端点是通过连接两侧的N型区域形成的。源极和漏极端点取自沟道的另外两侧。
其工作原理也类似于N沟道JFET。唯一的区别是您需要提供正的栅极到源极电压来关闭它。然而，由于电子在导体中的迁移率比空穴高，N沟道JFET具有更大的电流导电性，因为沟道电阻较低。这使得N沟道JFET比P沟道类型更高效。
特性
这里JFET通过直流电源偏置，这将控制JFET的VGS（栅极-源极电压）。我们可以通过改变VGS来控制漏极和源极之间的施加电压。从那里，我们可以绘制出JFET的I-V（电流-电压）特性曲线。
结型场效应晶体管（JFET）的输出特性是在恒定的栅极-源极电压（VGS）下，漏极电流（ID）与漏极-源极电压（VDS）之间的关系绘制而成的，如下图所示。
截止区（耗尽区pinch-off region）: 这是JFET关闭的区域，意味着没有漏极电流ID从漏极流向源极。
欧姆区(ohmic region): 在这个区域，JFET开始对从漏极流向源极的漏极电流ID表现出一定的电阻。通过JFET的电流与施加的电压成线性关系。
饱和区(saturation region): 当漏极-源极电压达到一个值，使得通过器件的电流与漏极-源极电压无关，而仅随栅极-源极电压变化时，器件被认为是处于饱和区。
击穿区(breakdown region): 当漏极到源极的电压VDS超过最大阈值，导致耗尽区击穿时，JFET失去其抵抗电流的能力，漏极电流无限增加。
2.金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）：MOSFET是FET家族中的另一位明星，以其绝缘栅极和对电压敏感的导电性而著称。MOSFET具有更大的重要性，是所有晶体管中最有用、最常见的类型。MOSFET几乎不需要输入电流就能调节负载电流，这使其在电子信号的切换和放大方面具有显著的优势。
MOSFET以其高效率和对电压变化的敏感响应，成为电子信号处理的理想选择。它有两种模式：增强型和耗尽型。在增强型MOSFET中，栅极电压的增加会提升其导电性；而在耗尽型中，电压的增加则会导致导电性下降。
MOSFET器件的主要原理是能够使用在栅极端施加的电压来控制源极和漏极之间电压和电流的流动。位于源极和漏极之间的氧化物层下方的半导体表面，可以通过施加正电压或负电压来分别从P型反转为N型。当我们施加一个排斥力，即正栅极电压时，那么位于氧化物层下方的空穴被推向下至衬底。耗尽区由与受主原子相关的束缚负电荷组成。当电子到达时，就会形成一个沟道。正电压还会从n 源极和漏极区域吸引电子进入沟道。现在，如果在漏极和源极之间施加电压，电流就会自由地在源极和漏极之间流动，栅极电压控制着沟道中的电子。如果我们不是施加正电压，而是施加负电压，那么在氧化物层下方会形成一个空穴。
沟道是通过两个高掺杂的N型区域扩散到轻掺杂的P型衬底中制成的。这两个N型区域被称为漏极和源极，而P型区域被称为衬底。控制栅极的隔离使得MOSFET的输入电阻极高，达到兆欧姆（MΩ）的量级，因此几乎为无穷大。因此，没有电流被允许流入栅极。
MOSFET的类型
有两种MOSFET被广泛使用：
根据工作模式的不同，主要分为两大类：增强型和耗尽型。这两类的区别在于栅极电压对沟道电流的影响方式。在增强型中，栅极电压的施加增加了沟道中的电流流动；而在耗尽型中，栅极电压的作用则是减少沟道电流。这一微妙的差异，赋予了在不同电子应用中的独特价值和功能。
耗尽型MOSFET：
耗尽型MOSFET在没有栅极电压时是导通的，类似于一个打开的开关。当栅极到源极电压（V_GS）为负时，在栅极下方的沟道中会形成一个耗尽区，阻止电流的流动，因此可以用来关闭设备。这种类型的MOSFET因其控制机制而得名，即通过耗尽沟道中的载流子来控制电流。
2. 增强型MOSFET：
增强型MOSFET在没有栅极电压或栅极电压低于阈值电压时是关闭状态。为了打开N沟道MOSFET，需要在栅极和源极之间施加正电压，这会在栅极下方吸引电子形成导电沟道。随着施加的正电压增加，导电沟道的宽度增加，从而增加了从源极到漏极的电流流动。对于P沟道MOSFET，则需要施加负电压来吸引空穴形成导电沟道。
进一步来说，耗尽型和增强型MOSFET被分类为N沟道和P沟道类型。
N沟道MOSFET：
N沟道MOSFET在源极和漏极之间有一个N型沟道。在这里，源极和栅极被重掺杂N型半导体，而衬底则掺杂有P型半导体材料。因此，源极和漏极之间的电流流动是由电子引起的，并且电流流动由栅极电压控制。
2. P沟道MOSFET：
同样，P沟道MOSFET在源极和漏极之间有一个P型沟道。在这里，源极和栅极被重掺杂P型半导体，而衬底则掺杂有N型半导体材料。因此，源极和漏极之间的电流流动是由空穴引起的，并且电流流动由栅极电压控制。
2.4
FET在电子世界中的应用广泛而深远
在混频器电路中，FET通过限制低互调失真，保证了信号的纯净度。
FET的小尺寸耦合电容器使其成为低频放大器的理想选择。
作为运算放大器中的可变电压电阻器，FET以其电压控制特性，为信号处理提供了灵活性。
FET的大输入阻抗使其成为示波器、电压表等测量工具的必备输入放大器。
在调频（FM）设备的无线电频率放大器中，FET以其高效率和低噪声特性，保证了信号的清晰传输。
FET在电视和调频接收机的混频操作中，扮演着至关重要的角色。
得益于其小尺寸，FET在LSI（大规模集成电路）和计算机存储模块中也有着不可替代的地位。
FET，作为电子技术中的多面手，以其多样化的类型和广泛的应用，不断推动着电子世界的发展和创新。
参 考：
1. What is a Field Effect Transistor (FET)? - Fusion Blog (autodesk.com)
2. What is FET: A Guide on FET | FET Electronics Design | DesignSpark (rs-online.com)
3. FET: Definition, Symbol, Working, Characteristics, Types & Applications - The Engineering Projects
4. Field-effect transistor - Wikipedia
5. FET Transistor | Types Of Field Effecting Transistor With Explanation | Byju's (byjus.com)
6. Mos管的工作原理_哔哩哔哩_bilibili
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