第9节 Junction Field-effect Transistors (修订中)
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场效应晶体管由 Julius Lilienfeld 在 1926 年和 1933 年 (1,900,018) 的美国专利中提出。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，极端的困难使他们偏离了方向，转而发明了双极晶体管。肖克利的场效应晶体管理论发表于 1952 年。然而，材料加工技术直到 1960 年约翰·阿塔拉（John Atalla）生产出工作器件时才足够成熟。
场效应晶体管(FET) 是一种单极_器件_，仅使用一种电荷载流子传导电流。如果基于 N 型半导体平板，则载流子是电子。相反，基于 P 型的器件仅使用孔。
# 1. 场效应管操作
在电路层面，场效应晶体管的操作很简单。施加到_栅极输入元件的电压控制__通道_的电阻，即栅极区域之间的单极区域。（下图）在 N 沟道器件中，这是一个轻掺杂的 N 型硅片，末端带有端子。_源极_和_漏极_分别类似于 BJT 的发射极和集电极。在 N 沟道器件中，平板中心两侧的重 P 型区域用作控制电极，即栅极。栅极类似于 BJT 的底座。
“清洁仅次于虔诚”适用于场效应晶体管的制造。虽然可以在_无尘室外_制造双极晶体管，但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集成电路中包含的场效应晶体管的金属氧化物半导体品种（后面部分）。但是，可以使用分立 JFET 器件。
结型场效应晶体管横截面。
正确偏置的 N 沟道结型场效应晶体管 (JFET) 如上图所示。栅极构成到源极到漏极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），则由于掺杂，N 型棒将在任一方向上导电。传导既不需要栅极也不需要栅极偏置。如果形成如图所示的栅极结，则可以通过反向偏压的程度来控制导通。
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，在结处具有非导电耗尽区。由于重栅极掺杂和轻沟道掺杂，耗尽区延伸到沟道侧更深。
N 沟道 JFET：(a) 栅极二极管耗尽。(b) 反向偏置的栅极二极管增加了耗尽区。(c) 增加反向偏压会扩大耗尽区。(d) 增加反向偏压会夹断 SD 通道。
通过施加适度的反向偏压，可以增加耗尽区的厚度（上图（b））。这通过使沟道变窄来增加源漏沟道的电阻。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_沟道电流。通道电阻会非常高。发生夹断的 VGS 为 VP，即夹断电压。通常为几伏。总之，沟道电阻可以通过栅极上的反向偏置程度来控制。
源极和漏极可以互换，对于低电平漏极电池电压 (< 0.6 V)，源极到漏极的电流可以在任一方向流动。也就是说，可以用低压交流电源代替耗电电池。对于高漏极电源电压，小信号设备的 10 伏特，极性必须如下图 (a) 所示。该漏极电源（在前面的图中未显示）使耗尽区失真，使其在栅极的漏极侧扩大。这是常见的直流漏极电源电压的更正确表示，从几伏到几十伏。随着漏极电压 VDS 增加，栅极耗尽区向漏极扩展。这增加了窄通道的长度，稍微增加了它的电阻。我们说“一点点”是因为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。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”条分别对应于 P 型和 N 型半导体。
N 沟道 JFET 电流在 (a) 横截面，(b) 示意图中从漏极流向源极。
上图显示了从 (+) 电池端子到 FET 漏极、流出源极、返回到 (-) 电池端子的大电流。该电流可以通过改变栅极电压来控制。与电池串联的负载会看到栅极电压变化的放大版本。
P 沟道场效应晶体管也可用。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，P 沟道电路（下图）中的所有电压源都是反向的。另请注意，箭头指向 P 沟道场效应晶体管的示意图符号 (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) 注意示意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，从而降低了漏极电路中的电流。
分立器件的横截面如下图所示。横截面被定向为对应于示意图符号，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，围绕栅极的沟道被轻掺杂以允许来自栅极的空穴深入地扩散到沟道中。那是N-区域。
结型场效应晶体管：（a）分立器件横截面，（b）示意图符号，（c）集成电路器件横截面。
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 沟道区域必须非常薄，以便栅极周围的本征区域可以控制和夹断沟道。因此，沟道两侧的栅极区不是必需的。
# 2. 坐
结型场效应晶体管（静电感应型）：（a）横截面，（b）示意图符号。
静态感应场效应晶体管 (SIT) 是一种具有掩埋栅极的短沟道器件。（上图）它是一种功率器件，而不是小信号器件。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。并且，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。
# 3. 场效应管
_金属半导体场效应晶体管 (MESFET)_类似于 JFET，除了栅极是肖特基二极管而不是结二极管。与更常见的欧姆接触相比，_肖特基二极管_是半导体的金属整流接触。在上图中，源极和漏极是重掺杂的 (N+)。通道是轻掺杂的 (N-)。MESFET 的速度比 JFET 高。MESFET 是一种耗尽型器件，通常处于开启状态，类似于 JFET。它们用作 30 GHz 的微波功率放大器。MESFET 可以由硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅和碳的金刚石同素异形体制成。
# 4. 总结
- 之所以称为单极结型场效应晶体管（FET 或 JFET），是因为沟道中的传导是由一种类型的载流子引起的
- JFET 的源极、栅极和漏极分别对应 BJT 的发射极、基极和集电极。
- 对栅极施加反向偏压会通过扩大栅极二极管耗尽区来改变沟道电阻。
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