跳至內容

場效電晶體

本頁使用了標題或全文手工轉換
維基百科，自由的百科全書
「FET」重新導向至此。關於其他用法，請見「FET (消歧義)」。
大功率N通道場效電晶體
場效電晶體的橫截面視圖，顯示了源極、閘極與汲極端子，以及絕緣氧化層。

場效電晶體（英語：field-effect transistor，縮寫：FET）為電晶體的一種，是一種通過電場效應控制電流的電子元件。場效電晶體分為兩種類型：接面型場效電晶體（JFET）和金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。FET具有三個端子：源極（source）、閘極（gate）和汲極（drain）。通過在閘極施加電壓，可以改變源極與汲極之間的電導率，從而控制電流。

FET依靠電場去控制導電通道形狀，因此能控制半導體材料中某種類型載子的通道的導電性。由於僅使用單一載子類型進行操作，場效電晶體有時被稱為「單極性電晶體」，以它的單載子型作用對比雙極性電晶體。FET僅使用電子（n通道）或電洞（p通道）作為載子，而非同時使用兩者。由於半導體材料的限制，以及曾經雙極性電晶體比場效電晶體容易製造，場效電晶體比雙極性電晶體要晚造出，但場效電晶體的概念卻比雙極性電晶體早。[1]場效電晶體有多種類型，但通常在低頻下表現出非常高阻態的輸入特性。目前最廣泛使用的FET是金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。

歷史

[編輯]
主條目：電晶體 § 歷史
尤利烏斯·埃德加·利林菲爾德，於1925年首次提出場效電晶體概念。

場效電晶體（FET）的概念最早由出生於奧匈帝國的物理學家尤利烏斯·埃德加·利林菲爾德於1925年申請專利[2]，其後奧斯卡·海爾（英語：Oskar Heil）於1934年也提出了類似設想，但兩人均未能基於該概念製造出實用的半導體元件。1947年，在貝爾實驗室工作的約翰·巴丁與沃爾特·豪澤·布拉頓觀察並解釋了電晶體效應，該研究由威廉·肖克利領導，時間恰好在李利恩費爾德的專利過期17年之後。肖克利最初嘗試通過調變半導體的電導率來構建FET，但由於表面態、懸掛鍵（英語：Dangling bond）及鍺和銅材料的複合問題而未能成功。在嘗試解釋失敗原因的過程中，巴丁和布拉頓於1947年發明了點接觸電晶體（英語：Point-contact transistor），次年肖克利提出了雙極型結電晶體。[3][4]

首個成功製造的FET元件是接面型場效電晶體（JFET）。[3]JFET最初由海因里希·韋爾克爾（英語：Heinrich Welker）於1945年申請專利。[5]1950年，日本工程師西澤潤一和渡邊康雄發明了短通道類型的JFET——靜電感應電晶體（英語：Static induction transistor）（SIT）。肖克利於1952年對JFET作出理論分析後，喬治·C·戴西（英語：George Clement Dacey）與伊恩·巴羅斯於1953年構建了實用的JFET元件。[6]然而JFET仍存在接面型電晶體的通用問題。[7]由於體積龐大、製造困難，JFET限制於特定領域。絕緣柵場效電晶體（IGFET）曾被設想為替代方案，但由於表面態障礙無法有效滲透電場，早期實驗均未能實現。[7]至1950年代中期，研究者逐漸放棄FET構想，轉向雙極型電晶體技術。[8]

金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）技術的基礎由威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）的研究奠定。肖克利於1945年獨立設想出場效電晶體（FET）的概念，但未能製造出可正常工作的元件。次年，巴丁通過表面態理論解釋了這一失敗。巴丁將表面態理論應用於半導體（關於表面態的早期研究由肖克利於1939年及伊戈爾·塔姆於1932年進行），並發現由於有額外電子被吸引到半導體表面，外部電場在表面被遮蔽。電子被困於這些局域態中，形成反型層。巴丁的假說標誌著表面物理學的誕生。隨後，巴丁決定利用反型層，取代肖克利在其FET設計中設想的那種非常薄的半導體層。基於其理論，巴丁於1948年申請了一項MOSFET前身——帶有反型層的絕緣柵場效電晶體（IGFET）的專利。反型層約束了少數載子的流動，從而提高了調變能力和導電性，但其電子傳輸特性依賴於覆蓋在反型層之上的閘極絕緣體的質量（如採用氧化物材料作為絕緣體）。巴丁的專利以及反型層的概念，構成了當今互補金屬氧化物半導體技術的基礎。1976年，肖克利稱巴丁的表面態假說是「半導體研究計劃中最重要的研究思想之一」。[9]

在巴丁提出表面態理論之後，這三位研究者嘗試克服表面態帶來的影響。1947年末，羅伯特·吉布尼和布拉頓建議在金屬與半導體之間加入電解質，以克服表面態的效應。他們製造的FET元件可以工作，但放大性能較差。巴丁更進一步，建議將研究重點放在反型層的導電性上。進一步實驗促使他們將電解質替換為固態氧化物層，希望獲得更好的實驗結果。他們的目標是穿透氧化物層，進入反型層。然而，巴丁建議將材料從矽更換為鍺，在此過程中，氧化層被無意中洗去，他們偶然發現了完全不同的電晶體——點接觸電晶體（英語：Point-contact transistor）。莉蓮·霍德森指出：「如果布拉頓和巴丁當時使用的是矽而不是鍺，他們很可能會偶然發現一種成功的場效電晶體。」[9][10][11][12][13]

到20世紀50年代上半葉末，隨著約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓、金斯頓（Kingston）、莫里森（Morrison）等人的理論與實驗研究逐步深入，人們逐漸認識到存在兩種類型的表面態。研究發現，快速表面態與半導體體內和半導體/氧化物界面相關，而慢速表面態則與氧化層中從外部環境吸附來的原子、分子和離子有關。後者的數量更多，且具有更長的弛豫時間。當時，費羅·法恩斯沃斯等人提出了多種方法以獲得原子級潔淨的半導體表面。

1955年，卡爾·弗羅施（英語：Carl Frosch）與林肯·德里克（Lincoln Derrick）在一次偶然實驗中使矽晶圓表面覆蓋了一層二氧化矽。[14]他們證明該氧化層可阻止某些摻雜物進入矽晶圓，同時允許其他摻雜物擴散，從而發現了熱氧化（英語：Thermal oxidation）對半導體表面的鈍化效應。隨後他們進一步研究了如何在氧化層上蝕刻出小孔以實現摻雜物的區域選擇性擴散。1957年，他們發表了一篇研究論文，並申請了專利，總結了其研究成果。這項技術被稱為「氧化光罩擴散」，後來被廣泛應用於半導體元件製造中的MOSFET元件製程中。[15]在貝爾實驗室，弗羅施技術的重要性被立即認識到。其研究成果在正式發表前以BTL備忘錄的形式在實驗室內廣泛傳播。1956年12月，在肖克利半導體實驗室，威廉·肖克利將該研究論文的預印本分發給包括讓·霍爾尼（英語：Jean Hoerni）在內的所有高級員工。[7][16][17]

1955年，伊恩·蒙羅·羅斯（英語：Ian Munro Ross）提交了一項鐵電場效電晶體（英語：Fe FET）或MFSFET的專利。其結構類似於現代反型通道MOSFET，但其介電質/絕緣層採用鐵電材料而非氧化物。他將其設想為一種存儲器形式，早於浮柵MOSFET的發明。1957年2月，約翰·沃爾馬克（英語：J. Torkel Wallmark）為一種場效電晶體申請專利，其中以一氧化鍺作為閘極絕緣材料，但他並未進一步推進這一構想。同年，他在另一項專利中描述了一種雙柵FET。1957年3月，在實驗記錄本中，貝爾實驗室的研究員埃內斯托·拉巴特（Ernesto Labate）構思出一種與後來的MOSFET相似的元件，儘管該元件未明確採用二氧化矽作為絕緣體。[18][19][20][21]

原理

[編輯]
參見：電場效應

電極

[編輯]
一個n型MOSFET的橫截面

所有的FET都有閘極（gate）、汲極（drain）、源極（source）三個端，分別大致對應雙極性電晶體的基極（base）、集極（collector）和射極（emitter）。除了結型場效應管外，所有的FET也有第四端，被稱為體（body）、基（base）、塊體（bulk）或基板（substrate）。這個第四端可以將電晶體調變至運行；在電路設計中，很少讓體端發揮大的作用，但是當物理設計一個積體電路的時候，它的存在就是重要的。在圖中閘極的長度（length）L，是指源極和汲極的距離。寬度（width）是指電晶體的範圍，在圖中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的閘極限制最高頻率約為5GHz，0.2微米則是約30GHz。

這些端的名稱和它們的功能有關。閘極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個閘極可以通過製造或者消除源極和汲極之間的通道，從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響，電子流將從源極流向汲極。體很簡單的就是指閘極、汲極、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連，根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起，因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET並沒有這樣的結構，比如級聯傳輸電路和串疊式電路。

組成

[編輯]

FET由各種半導體構成，目前矽是最常見的。大部分的FET是由傳統塊體半導體製造技術製造，使用單晶半導體矽片作為反應區，或者通道。

大部分的不常見體材料，主要有非晶矽、多晶矽或其它在薄膜電晶體中，或者有機場效電晶體中的非晶半導體。有機場效電晶體基於有機半導體，常常用有機柵絕緣體和電極。

類型

[編輯]
標準電壓下的空乏型場效電晶體。從左到右依次依次為：接面場效電晶體，多晶矽金屬—氧化物—半導體場效電晶體，雙閘極金屬—氧化物—半導體場效電晶體，金屬閘極金屬—氧化物—半導體場效電晶體，金屬半導體場效電晶體。  空乏層 ,  電子 ,  電洞 ,  金屬 ,  絕緣體 . 上方：源極，下方：汲極，左方：閘極，右方：主體。電壓導致通道形成的細節沒有畫出

摻雜FET（解釋如下）的通道用來製造N型半導體或P型半導體。在空乏模式的FET下，漏和源可能被摻雜成不同類型至通道。或者在提高模式下的FET，它們可能被摻雜成相似類型。場效電晶體根據絕緣通道和柵的不同方法而區分。FET的類型有：

  • DEPFET（Depleted FET）是一種在完全空乏基底上製造，同時用為一個感應器、放大器和記憶極的FET。它可以用作圖像（光子）感應器。
  • DGMOFET（Dual-gate MOSFET）是一種有兩個閘極的MOSFET。
  • DNAFET是一種用作生物感應器的特殊FET，它通過用單鏈DNA分子製成的閘極去檢測相配的DNA鏈。
  • FREDFET（Fast Recovery Epitaxial Diode FET）是一種用於提供非常快的重啟（關閉）體二極體的特殊FET。
  • HEMT（高電子移動率電晶體，High Electron Mobility Transistor），也被稱為HFET（異質接面場效電晶體，heterostructure FET），是運用帶隙工程在三重半導體例如AlGaAs中製造的。完全空乏寬帶隙造成了閘極和體之間的絕緣。
  • IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一種用於電力控制的元件。它和類雙極主導電通道的MOSFET的結構類似。它們一般用於漏源電壓範圍在200-3000伏的運行。功率MOSFET仍然被選擇為漏源電壓在1到200伏時的元件.
  • ISFET是離子敏感的場效電晶體（Ion-Sensitive Field Effect Transistor）,它用來測量溶液中的離子濃度。當離子濃度（例如pH值）改變，通過電晶體的電流將相應的改變。
  • JFET用相反偏壓的p-n結去分開閘極和體。
  • MESFET（Metal-Semiconductor FET）用一個蕭特基勢壘替代了JFET的PN接面；它用於GaAs和其它的三五族半導體材料。
  • MODFET（Modulation-Doped FET）用了一個由篩選過的活躍區摻雜組成的量子阱結構。
  • MOSFET用一個絕緣體（通常是二氧化矽）於柵和體之間。
  • NOMFET是納米粒子有機記憶場效電晶體（Nanoparticle Organic Memory FET）。Organic transistor paves way for new generations of neuro-inspired computers（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  • OFET是有機場效電晶體（Organic FET），它在它的通道中用有機半導體。

FET工作

[編輯]
n通道接面場效電晶體的I–V特性和輸出曲線圖

閘極電壓對電流的影響

[編輯]
計算機仿真展現的納米線MOSFET中反型通道的形成（電子密度的變化）。閾值電壓在0.45V左右。

FET通過影響導電通道的尺寸和形狀，控制從源到漏的電子流（或者電洞流）。通道是由（是否）加在閘極和源極的電壓而創造和影響的（為了討論的簡便，這默認體和源極是相連的）。導電通道是從源極到汲極的電子流。

空乏模式

[編輯]

在一個n通道"空乏模式"元件，一個負的閘源電壓將造成一個空乏區去拓展寬度，自邊界侵占通道，使通道變窄。如果空乏區擴展至完全關閉通道，源極和汲極之間通道的電阻將會變得很大，FET就會像開關一樣有效的關閉（如右圖所示，當閘極電壓很低時，導電通道幾乎不存在）。類似的，一個正的柵源電壓將增大通道尺寸，而使電子更易流過（如右圖所示，當閘極電壓足夠高時，通道導通）。

增強模式

[編輯]

相反的，在一個n通道"增強模式"元件中，一個正的柵源電壓是製造導電通道所必需的，因為它不可能在電晶體中自然的存在。正電壓吸引了導體中的自由移動的電子向閘極運動，形成了導電通道。但是首先，充足的電子需要被吸引到閘極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個沒有運動載子的被稱為空乏區的區域，這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過閘極，則會製造一個從源極到汲極的導電通道；這個過程叫做"反型"。

汲極源極電壓對電流的影響

[編輯]

無論是增強模式還是空乏模式元件，在漏源電壓遠小於柵源電壓時，改變閘極電壓將改變通道電阻，漏電流將和漏電壓（相對於源極的電壓）成正比。在這種模式下FET將像一個可變電阻一樣運行，被稱為"線性模式"或"歐姆模式"。[22][23]

如果漏源電壓增長了，由於源漏電位的梯度，它將造成通道形狀上的一個很大的非對稱改變。在通道的漏末端，反型區域的形狀變成夹止（pinched-off）。如果漏源電壓進一步增長，通道的夹止點將開始離開汲極，向源極移動。這種FET被稱為"飽和模式"；[24] 一些作者把它稱為"主動模式"，為了更好的和雙極電晶體操作區對比。[25][26] 當需要放大的時候一般用飽和模式或者歐姆模式與飽和模式的中間模式。中間模式有時被認為是歐姆或線性模式的一部分，儘管漏電流並不隨著漏電壓大致線性增長。

儘管在飽和模式下，柵源電壓形成的導電通道不再和源相連，載子的流動並沒有被禁止。重新考慮n通道元件，空乏區存在於p型體中的導電通道和漏、源區域周圍。如果受到漏源電壓向漏方向的吸引，組成通道的電子將通過空乏區自由的從通道中移走。空乏區將沒有載子，而有近似於矽的電阻。任何漏源電壓的增長將增加汲極到夹止點的距離，相對於空乏區增加的電阻和加在漏源上的電壓成正比。這種正比的變化造成漏源電流保持相對固定的對漏源電壓的獨立變化，這和線性模式運行有所不同。儘管在飽和模式下，FET就像一個穩恆電流源而不是電阻，它可以在電壓放大器中大多數有效的運用。在這種情況下，柵源電壓決定了通過通道的固定電流的大小。

用途

[編輯]

IGBT在開關內燃機點燃管中有用。快速開關和電壓阻礙能力在內燃機中是非常重要的。

大部分常用的FET是金屬氧化物半導體場效電晶體。互補式金屬氧化物半導體過程技術是現代數位積體電路的基礎。這個過程技術排列了相連成串的p通道MOSFET和n通道MOSFET（通常在提高模式），使得當一個開，另一個則關。

MOSFET中柵和通道之間的脆弱絕緣層使得它在操作中容易受到靜電損壞。元件在合適的設計電路中安裝後則通常不成問題[來源請求]。

在FET中，當在線性模式下運行，電子能向各個方向流動通過通道。當元件是特別的（但並不是經常的）從源極到汲極的對稱製造，汲極和源極的名稱變化有時是隨機的。這使得FET適合用來開關路程間的類比訊號（多路技術）。例如，由這一概念，固體混合板就可以被構造出。

參考文獻

[編輯]
  1. ^ 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
  2. ^ Lilienfeld, J.E. "Method and apparatus for controlling electric current" 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2022-04-09. US Patent no. 1,745,175 (filed: 8 October 1926 ; issued: 28 January 1930).
  3. ^ 3.0 3.1 Lee, Thomas H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits (PDF). 劍橋大學出版社. 2003 [2019-07-20]. ISBN 978-1-139-64377-1. （原始內容 (PDF)存檔於2019-12-09）. 
  4. ^ Puers, Robert; Baldi, Livio; Voorde, Marcel Van de; Nooten, Sebastiaan E. van. Nanoelectronics: Materials, Devices, Applications, 2 Volumes. 約翰·威立之子公司. 2017: 14. ISBN 978-3-527-34053-8. 
  5. ^ Grundmann, Marius. The Physics of Semiconductors. 施普林格出版社. 2010. ISBN 978-3-642-13884-3. 
  6. ^ Nishizawa, Jun-Ichi. Junction Field-Effect Devices. Sittig, Roland; Roggwiller, P. (編). Semiconductor Devices for Power Conditioning. Springer. 1982: 241–272. ISBN 978-1-4684-7265-3. doi:10.1007/978-1-4684-7263-9_11. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Moskowitz, Sanford L. Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. 約翰·威立之子公司. 2016: 168. ISBN 978-0-470-50892-3. 
  8. ^ The Foundation of Today's Digital World: The Triumph of the MOS Transistor. 計算機歷史博物館. 13 July 2010 [21 July 2019]. 
  9. ^ 9.0 9.1 Howard R. Duff. John Bardeen and transistor physics. AIP Conference Proceedings 550. 2001: 3–32. doi:10.1063/1.1354371 可免費查閱. 
  10. ^ Hans Camenzind. Designing Analog Chips. 2005. 
  11. ^ Massoud, Hisham Z. ULSI Science and Technology/1997. The Electrochemical Society. 1997: 43. ISBN 978-1-56677-130-6. 
  12. ^ Lillian Hoddeson. Research on crystal rectifiers during World War II and the invention of the transistor. History and Technology. 1994, 11 (2): 121–130. doi:10.1080/07341519408581858. 
  13. ^ Michael Riordan; Lillian Hoddeson. Crystal Fire: The Birth of the Information Age. W. W. Norton & Company. 1997. ISBN 978-0-393-04124-8. 
  14. ^ US2802760A,Lincoln, Derick & Carl J. Frosch,「Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion」,發行於1957-08-13 
  15. ^ Frosch, C. J.; Derick, L. Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon. Journal of the Electrochemical Society. 1957, 104 (9): 547. doi:10.1149/1.2428650 （英語）. 
  16. ^ Christophe Lécuyer; David C. Brook; Jay Last. Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor. MIT Press. 2010: 62–63. ISBN 978-0-262-01424-3. 
  17. ^ Claeys, Cor L. ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium. 電化學學會（The Electrochemical Society）. 2003: 27–30. ISBN 978-1-56677-376-8. 
  18. ^ Lojek, Bo. History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. 2007: 324. ISBN 978-3-540-34258-8. 
  19. ^ Stefan Ferdinand Müller. Development of HfO2-Based Ferroelectric Memories for Future CMOS Technology Nodes. BoD – Books on Demand. 2016. ISBN 978-3-7392-4894-3. 
  20. ^ B.G Lowe; R.A. Sareen. Semiconductor X-Ray Detectors. CRC Press. 2013. ISBN 978-1-4665-5401-6. 
  21. ^ Bassett, Ross Knox. To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. 2007: 22. ISBN 978-0-8018-8639-3. 
  22. ^ C Galup-Montoro & Schneider MC. MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. 2007: 83 [2010-04-11]. ISBN 981-256-810-7. （原始內容存檔於2010-01-12）. 
  23. ^ Norbert R Malik. Electronic circuits: analysis, simulation, and design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. 1995: 315–316 [2010-04-11]. ISBN 0-02-374910-5. （原始內容存檔於2009-04-27）. 
  24. ^ RR Spencer & Ghausi MS. Microelectronic circuits. Upper Saddle River NJ: Pearson Education/Prentice-Hall. 2001: 102 [2010-04-11]. ISBN 0-201-36183-3. （原始內容存檔於2010-01-12）. 
  25. ^ A. S. Sedra and K.C. Smith. Microelectronic circuits Fifth Edition. New York: Oxford. 2004: 552 [2010-04-11]. ISBN 0-19-514251-9. （原始內容存檔於2009-02-04）. 
  26. ^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits Fourth Edition. New York: Wiley. 2001: §1.5.2 p. 45 [2010-04-11]. ISBN 0-471-32168-0. （原始內容存檔於2009-04-28）. 

參見

[編輯]

外部連結

[編輯]
維基共享資源上的相關多媒體資源：場效電晶體
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=场效应管&oldid=87190957」