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場效電晶體(英語:field-effect transistor,縮寫:FET)是一種通過電場效應控制電流的電子元件。
它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。場效應電晶體有時被稱為「單極性電晶體」,以它的單載子型作用對比雙極性電晶體。由於半導體材料的限制,以及曾經雙極性電晶體比場效應電晶體容易製造,場效應電晶體比雙極性電晶體要晚造出,但場效應電晶體的概念卻比雙極性電晶體早。
場效應電晶體於1925年由Julius Edgar Lilienfeld和於1934年由Oskar Heil分別發明,但是實用的元件一直到1952年才被製造出來(結型場效應電晶體)。1960年Dawan Kahng發明了金屬氧化物半導體場效應電晶體,從而大部分代替了JFET,對電子行業的發展有著深遠的意義。

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FET的結構

FET 的構想在 BJT 被發明前就有了,只是那時材料及材料間介面缺陷都無 法控制,一直沒有實用的 FET 結構出現。近年來由於材料及磊晶技術的進步, 我們可以將材料及介面的缺陷及雜質降得很低,FET 得到很大的發展。
FET 的種類除了依導通用的載體種類來分外,還可依照閘極的結構來分。 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。場效應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(異質接面場效應電晶體,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是離子敏感的場效應電晶體(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是奈米粒子有機記憶場效應電晶體(Nanoparticle Organic Memory FET)。[1](頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
OFET是有機場效應電晶體(Organic FET),它在它的通道中用有機半導體。
 
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金氧半場效電晶體的結構

左圖是一個n-type金氧半場效電晶體(以下簡稱NMOS)的截面圖。如前所述,金氧半場效電晶體的核心是位於中央的MOS電容,而左右兩側則是它的源極與汲極。源極與汲極的特性必須同為n-type(即NMOS)或是同為p-type(即PMOS)。左圖NMOS的源極與汲極上標示的「N+」代表著兩個意義:(1)N代表摻雜(doped)在源極與汲極區域的雜質極性為N;(2)「+」代表這個區域為高摻雜濃度區域(heavily doped region),也就是此區的電子濃度遠高於其他區域。在源極與汲極之間被一個極性相反的區域隔開,也就是所謂的基極(或稱基體)區域。如果是NMOS,那麼其基體區的摻雜就是p-type。反之對PMOS而言,基體應該是n-type,而源極與汲極則為p-type(而且是重摻雜的P+)。基體的摻雜濃度不需要如源極或汲極那麼高,故在左圖中沒有「+」,作為通道用。
對這個NMOS而言,真正用來作為通道、讓載子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在閘極上,帶負電的電子就會被吸引至表面,形成通道,讓n-type半導體的多數載子—電子可以從源極流向汲極。如果這個電壓被移除,或是放上一個負電壓,那麼通道就無法形成,載子也無法在源極與汲極之間流動,也就是可以透過閘極的電壓控制通道的開關。
假設操作的物件換成PMOS,那麼源極與汲極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的閘極上施加負電壓,則半導體上的電洞會被吸引到表面形成通道,半導體的多數載子—電洞則可以從源極流向汲極。假設這個負電壓被移除,或是加上正電壓,那麼通道無法形成,一樣無法讓載子在源極和汲極間流動。
特別要說明的是,源極在金氧半場效電晶體裡的意思是「提供多數載子的來源」。對NMOS而言,多數載子是電子;對PMOS而言,多數載子是電洞。相對的,汲極就是接受多數載子的端點。

 

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金氧半場效電晶體的操作模式

依照在金氧半場效電晶體的閘極、源極,與汲極等三個端點施加的偏壓(bias)不同,金氧半場效電晶體將有下列三種操作模式。下面將以一種簡化代數模型來討論。[1]現代MOS管的特性比這裡展示的代數模型更加複雜。[2]
對於增強型N通道MOS管來說,這3種操作模式分別為:
截止區(次臨界區或弱反轉區)(cutoff, subthreshold or weak-inversion mode)
當 |VGS| < |Vth| 時:
|VGS| 代表閘極到源極的偏壓差,|Vth| 為材料的臨界電壓。這個金氧半場效電晶體是處在截止(cut-off)的狀態,通道無法反轉,並沒有足夠的多數載子,電流無法流過這個金氧半場效電晶體,也就是這個金氧半場效電晶體不導通。
但事實上,金氧半場效電晶體無電流通過的敘述和現實有些微小的差異。在真實的狀況下,因為載子的能量依循麥克斯韋-玻爾茲曼分布而有高低的差異。雖然金氧半場效電晶體的通道沒有形成,但仍然有些具有較高能量的載子可以從半導體表面流至汲極。而若是 |VGS| 略大於零,但小於 |Vth| 的情況下,還會有一個稱為弱反轉層(weak inversion layer)的區域在半導體表面出現,讓更多載子流過。透過弱反轉而從源極流至汲極的載子數量與 |VGS| 的大小之間呈指數的關係,此電流又稱為次臨界電流(subthreshold current)。
在一些擁有大量金氧半場效電晶體的積體電路產品,如動態隨機存取記憶體(DRAM),次臨限電流往往會造成額外的能量或功率消耗。

 

 

 

 

 

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