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场效应管FET种类、特性和工作原理介绍

434 2022-03-26 来源: I网络 作者: IC先生

场效应管FET是电子行业许多领域中使用的关键电子元件,主要用于许多由分立电子元件构成的电路中,从射频到功率控制和电子开关再到一般放大技术。

然而,场效应管FET的主要用途是在集成电路中。在此应用中,FET电路消耗的功率比使用双极晶体管技术的IC低得多,这使得超大规模集成电路能够运行。如果使用双极技术,则功耗将增加几个数量级,并且产生的功率太大而无法从集成电路中消散。

除了用于集成电路之外,这些半导体器件的分立版本既可用作引线电子元件,也可用作表面贴装器件。

由于场效应晶体管FET是一种三端有源半导体器件,其输出电流由输入电压产生的电场控制,因而FET也称为单极晶体管。但是,与双极晶体管不同,FET只有电子或空穴作为电荷载流子。FET使用施加到其输入端(称为栅极)的电压来控制从源极流向漏极的电流,使场效应晶体管成为“电压”操作的器件。

场效应管FET

场效应晶体管FET的发展历史

在第一批FET被引入电子元件市场之前,这些半导体器件的概念已经为人所知多年,而实现这种类型的设备并使其工作存在许多困难。

Lilienfield在1926年的一篇论文和Heil在1935年的另一篇论文中概述了场效应晶体管的一些早期概念。

到了1940年代,半导体研究小组在成立,该小组研究了与半导体和半导体技术有关的许多领域,其中之一是一种可以调节半导体通道中流动的电流的设备,并在其附近放置一个电场。

在这些早期的实验中,研究人员无法实现这个想法,将他们的想法转化为另一个想法,并最终发明了另一种形式的半导体电子元件:双极晶体管。

在此之后,大部分半导体研究都集中在改进双极晶体管上,而场效应晶体管的想法有一段时间没有得到充分研究。不过现在FET应用非常广泛,在许多集成电路中提供了主要的有源元件。如果没有这些电子元件,电子技术将与现在大不相同。

场效应晶体管FET基础知识概括

场效应晶体管的概念是基于附近物体上的电荷可以吸引半导体通道内的电荷的概念,它本质上是利用电场效应运作的——因此得名。

场效应晶体管FET由一个半导体通道组成,其两端的电极称为漏极和源极。一个称为栅极的控制电极放置在非常靠近通道的位置,以便其电荷能够影响通道。

这样,FET的栅极控制了从源极流向漏极的载流子(电子或空穴)的流动,它通过控制导电通道的大小和形状来做到这一点。

产生电流的半导体沟道可以是P型或N型。这产生了两种类型或类别的FET,称为P沟道和N沟道FET。

除此之外,还有另外两个类别。增加栅极上的电压可以耗尽或增加通道中可用的电荷载流子的数量。因此,存在增强型FET和耗尽型FET。

结FET电路符号

由于只有电场控制在通道中流动的电流,因此该器件被称为电压操作并且它具有高输入阻抗,通常为数兆欧。与电流操作并具有低得多的输入阻抗的双极晶体管相比,这可能是一个明显的优势。

结型场效应晶体管在饱和以下的JFET

场效应管FET的电路设计

场效应晶体管广泛用于各种形式的电子电路设计,从用于具有分立电子元件的电路到用于集成电路的电子电路设计。

由于场效应晶体管是电压操作的半导体器件,而不是像双极晶体管这样的电流器件,这意味着电路的某些方面非常不同,特别是偏置排列。然而,使用FET的电子电路设计相对容易——它与使用双极晶体管的设计略有不同。

此外,使用FET可以设计电压放大器、缓冲器或电流跟随器、振荡器、滤波器等电路,并且电路设计与双极晶体管甚至热电子阀/真空管的电路设计非常相似,尽管偏置安排不同. 有趣的是,阀门/管子也是电压操作设备,因此它们的电路设计非常相似,即使在偏置布置方面也是如此。

场效应管FET的种类

场效应管FET有四个端子,分别命名为Source()、Drain(漏极)、Gate(栅极)和Body(主体)。

  • 源:是大多数电荷载流子通过它进入FET的端子。
  • 漏极:是大多数电荷载流子从FET退出的端子。
  • 栅极:是通过N型半导体与P型半导体的扩散形成的。这会产生一个重掺杂的PN结区域,该区域控制载流子从源极到漏极的流动。
  • 主体:这是构建FET的基板。在离散应用中,它在内部与源引脚相连,因此可以完全忽略它的影响。但是,在集成电路中,该引脚通常会连接到NMOS电路中最负的电源(PMOS 电路中的最正),因为许多晶体管将共享它。当涉及主体连接时,仔细的连接和设计对于保持FET性能至关重要。
  • 通道:这是多数载流子从源极端子传递到漏极端子的区域。

FET四个端子

目前场效应管FET主要分为结型场效应晶体管(JFET)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)晶体管两大类。当然,这两大类下还可以细分为多个小类别,具体如下:

FET种类

JFET(结场效应晶体管)

结型场效应晶体管 (JFET) 是最早的FET类型。电流流过源极到漏极端子之间的有源通道。施加在栅极和源极之间的电压控制着JFET的源极和漏极之间的电流流动。通过将反向偏置电压施加到栅极端子,沟道被拉紧,因此电流被完全关闭。这就是为什么JFET被称为“常开”器件的原因。JFET晶体管有N沟道和P沟道两种类型。

JFET

MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)

金属氧化物半导体场效应晶体管,也称为MOSFET,具有更大的重要性,是所有晶体管中最有用的类型。MOSFET有四个端子:漏极、源极、栅极和体或衬底。MOSFET 也是一种电压控制晶体管,但JFET和MOSFET之间的主要区别在于它具有金属氧化物栅极电极,该栅极电极通过非常薄的层与漏极和源极之间的主载流通道电绝缘绝缘材料,通常是二氧化硅,俗称玻璃。

轨道由两个高掺杂的N型区域制成,这些区域扩散到轻掺杂的P型衬底中。这两个N型区域称为漏极和源极,而P型区域称为衬底。控制栅极的隔离使得MOSFET的输入电阻在兆欧 (MΩ) 范围内非常高,因此几乎是无限大的,因此不允许电流流入栅极。

金属氧化物半导体场效应晶体管

双栅极MOSFET

这是一种特殊形式的MOSFET,沿通道有两个串联的栅极。与单栅极器件相比,这可以实现一些相当大的性能改进,尤其是在射频方面。

MOSFET的第二个栅极在输入和输出之间提供额外的隔离,除此之外,它还可用于混合/乘法等应用。

MESFET

MESFET通常使用砷化镓制造,通常被称为GaAs FET。GaAsFET通常用于RF应用,它们可以提供高增益低噪声性能。GaAsFET技术的缺点之一是栅极结构非常小,这使得它对静电、ESD 的损坏非常敏感。所以处理这些设备时必须非常小心。

HEMT/PHEMT

高电子迁移率晶体管和假晶高电子迁移率晶体管是基本FET概念的发展,但开发用于实现非常高频操作。虽然价格昂贵,但它们可以实现非常高的频率和高性能。

FinFET

FinFET技术现在被用于集成电路中,通过允许更小的特征尺寸来实现更高的集成度。随着对更高密度水平的需求以及实现更小的特征尺寸变得越来越困难,FinFET技术正在得到更广泛的应用。

VMOS

垂直MOS的VMOS标准,它是一种使用垂直电流流动来提高开关和载流性能 FET。VMOS FET广泛用于电源应用。

注意,尽管可能在市场上看到一些其他类型的场效应晶体管,但这些类型通常是特定技术的商品名,它们都是上面列出的一些FET类型的变体。

场效应管FET的规格选用

除了为任何给定的电路设计选择特定类型的场效应晶体管外,还需要了解不同的规格。通过这种方式,可以确保FET将按照所需的性能参数运行。

FET规格包括从允许的最大电压和电流到电容水平和跨导的所有内容,这些都在确定任何特定FET是否适用于给定电路或应用方面发挥作用。因此,在选用之前,一定要弄清楚FET的规格参数。

场效应管FET的应用

场效应管FET更适用于弱信号工作,它们在需要高阻抗的电路和系统中也是首选。FET通常不用于大功率放大,例如大型无线通信和广播发射机。

由于场效应管FET因其紧凑的尺寸和显着降低的功耗而广泛用于集成电路 (IC)。除此之外,场效应管还用于大功率开关应用中,作为运算放大器 (Op-Amps) 中的电压可变电阻器 (VVR) 和音调控制等,用于FM和TV接收器以及逻辑电路中的混频器操作。

另外,场效应晶体管技术可用于双极晶体管不适用的许多领域,这些半导体器件中的每一个都有其自身的优点和缺点,并且可以在许多电路中发挥很大的作用。场效应晶体管具有非常高的输入阻抗,并且是一种电压驱动器件,这使得它可以在许多领域中使用。

总结

场效应晶体管技术可用于电子学的各个领域,其中双极晶体管并不适用。场效应管具有非常高的输入阻抗,是一种电压驱动的器件;它们可能是使用最广泛的有源设备。

目前场效应管FET的应有已经非常广泛,也是比较常用的电子元件之一。当然,本文只是简单概括了场效应管FET的基础知识,如果想更深入的了解,建议查阅相关专业的资料。

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