利用場效應原理工作的電晶體,簡稱FET。場效應就是改變外加垂直於半導體表面上電場的方向或大小,以控制半導體導電層(溝道)中的多數載流子的密度或類型。這種電晶體的工作原理與雙極型電晶體不同,它是由電壓調製溝道中的電流,其工作電流是由半導體中的多數載流子輸運,少數載流子實際上沒有作用。這類隻有一種極性載流子參加導電的電晶體又稱單極電晶體。

  1925~1926年美國的J.E.裏林菲德提出靜電場對導電固體中電流影響的基本概念。11933年O.海爾提出薄膜FET 器件的結構模型,在實驗中觀察到“場效應”現象,但當時由於工藝水平所限,沒有做成實用器件。1952年以後,W.B.肖克萊提出結型場效應管(JFET)的基本理論。一年以後制成JFET。60年代初發展瞭金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)。1966年美國的C.米德提出瞭肖特基勢壘柵場效應管(MESFET)。

  與雙極型晶體管相比,FET的特點是輸入阻抗高,噪聲小,極限頻率高,功耗小,溫度性能好,抗輻照能力強,多功能,制造工藝簡單等。由於電荷存儲效應小、反向恢復時間短,故開關速度快,工作頻率高。器件特性基本呈線性或平方律,故互調和交調乘積遠比雙極型晶體管為小。FET已廣泛用於各種放大電路、數字電路和微波電路等。FET是MOS大規模集成電路和MESFET超高速集成電路的基礎器件。

  結型場效應晶體管 JFET(圖1a)有兩個柵PN結,N型溝道(或P型溝道)夾在兩個柵PN結的空間電荷層之間,溝道兩端加上歐姆接觸,稱源極和漏極。在漏極加正偏壓,則有電子從源極流向漏極。在柵PN結上加負偏壓時,空間電荷區寬度和溝道厚度隨之變化,從而溝道電阻、溝道電流(或稱漏電流)也發生變化。JFET的電流-電壓特性曲線(圖1b)分為三個區:線性區、飽和區和擊穿區。在一定的負柵偏壓下,在漏極上加小的正向電壓時,電隨流漏壓直線上升。由於溝道具有一定的體電阻,電流沿溝道產生電壓降,電位從源端向漏端逐漸升高,漏柵間的反向偏壓增大,空間電荷區展寬,溝道變窄,電阻增大,故電流增大的速度減慢,電流曲線彎曲,然後達到飽和,曲線接近水平。漏電壓繼續增大,柵PN結發生擊穿。在擊穿區,漏電壓稍許增加,漏電流即急劇上升,曲線近似垂直。

  JFET可用作放大器,在低頻下噪聲很低,常用於海底通信、紅外接收等低頻低噪聲電子設備中。

  金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 其結構見圖2。在P型半導體上有兩個重摻雜的N+區,其上有兩個歐姆接觸電極,分別稱為源極和漏極。源-漏之間覆蓋一層很薄絕緣膜(如二氧化矽或多晶矽等),膜上淀積金屬形成柵極。柵極無外加電壓時,源漏之間不通導。柵極上外加一相當大的電壓時(源接地),柵極下面的P型半導體表面上出現N型反型層,成為導電溝道。改變柵壓,可以改變溝道的寬度和電子密度,電流隨之改變。溝道電流與漏電壓的特性曲線和JFET的相似。MOSFET在零柵壓下不導通;在正柵壓下才出現導電的N型溝道,這種MOSFET稱為N溝道增強型場效應管。反之,如果P型襯底表面不加柵壓時已有N型溝道存在,外加柵壓可使溝道電阻增大或變小,此種MOSFET稱為N溝道耗盡型場效應管。同理,如果襯底是N型半導體,也可構成增強型和耗盡型兩種MOSFET。

  MOSFET結構簡單,具有很高的輸入阻抗,在電路中適於直接耦合,廣泛應用於集成電路和大規模集成電路。

  肖特基勢壘柵場效應晶體管 金屬與半導體表面接觸具有類似PN結的整流作用,這種接觸稱為肖特基勢壘,利用肖特基結界面場效應現象制造的晶體管稱為肖特基勢壘柵場效應管(圖3)。MESFET多采用電阻率大於107~108歐·厘米的半絕緣砷化鎵作襯底,於其上用外延或離子註入法形成一個N型薄層作為溝道,在溝道的上表面用蒸發、濺射、光刻等方法做上源、柵、漏三個電極。肖特基勢壘和PN結相似,具有空間電荷區,其厚度隨外加偏壓變化,從而控制溝道電流。其特性曲線與JFET類似。

  砷化鎵MESFET的特點是跨導大、極限工作頻率高、噪聲低。它是能夠工作在厘米、毫米波段的性能優良的三端器件。其頻率高、噪聲低,性能遠遠優於矽雙極晶體管。砷化鎵微波低噪聲MESFET工作頻率已達60吉赫;工作頻率為1~18吉赫時,噪聲系數為0.5~3分貝。微波功率MESFET的振蕩頻率可達100吉赫以上,頻率-功率乘積可達100吉赫·瓦。

  砷化鎵MESFET是微波單元集成電路和單片超高速集成電路的基礎,尤其是鎵鋁砷/砷化鎵(GaAlAs/GaAs)異質結MESFET,具有更高的遷移率、更好的微波和高速性能,稱為高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)。在12吉赫下,噪聲系數僅為0.35分貝。

  如果在源漏之間做兩個柵極,則稱雙柵MESFET。其特點是:①第二柵可起屏蔽作用,能提高隔離度,減小反饋,提高器件穩定性。②雙柵MESFET相當於兩個單柵器件級聯,故具有可控高增益。③兩個柵可獨立地控制漏電流、跨導和增益,故雙柵MESFET具有放大、振蕩、混頻、開關、限幅、移相等多種功能。

  砷化鎵單柵和雙柵MESFET多用於微波通信、衛星通信、航天、雷達、無線電導航、電子對抗、遙測遙控等微波電子裝置。

  此外,還有隱柵和V型槽場效應晶體管等。隱柵管發展為靜電感應場效應晶體管(SIT)。兩種器件共同的特點是:跨導大,特性曲線與電子管的相類似,呈非飽和型,無二次擊穿,線性輸出功率大,負溫特性、熱性能好。它們是兼有電子管和雙極晶體管二者優點的大功率管。靜電感應場效應晶體管適用於音頻大功率放大和短波電臺線性功率輸出。V型槽場效應晶體管宜用作功率開關管,兼有速度快、功率大的優點。