您的大腦包含約1000億個稱為神經元的細胞，這些微小的開關可讓您思考和記住事物。 計算機還包含數十億個微型“腦細胞”。 它們被稱為晶體管，由硅制成，硅是沙子中常見的化學元素。 自從半個多世紀前John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley發明晶體管以來，晶體管就徹底改變了電子技術。 但是它們是什么？它們如何工作？

場效應晶體管FET是一種三端有源器件，它使用電場來控制電流，并且具有高輸入阻抗，這在許多電路中都很有用。場效應晶體管FET是在電子工業的許多領域中使用的關鍵電子組件。從射頻技術到功率控制和電子開關再到一般放大等領域，FET用在許多由分立電子元件構成的電路中。但是場效應晶體管FET的主要用途是在集成電路內部。在此應用中，FET電路的功耗比使用雙極晶體管技術的IC低得多。這使得超大規模集成電路能夠操作。如果使用雙極技術，則功耗將大幾個數量級，并且產生的功率太大而無法從集成電路中耗散掉。

除了用于集成電路之外，分立版本的場效應晶體管還可用作含鉛電子組件和表面貼裝器件。一系列場效應晶體管-2N7000 N溝道MOSFET-盡管它們有許多表面貼裝器件，但它們都是帶引線的電子組件。

場效應晶體管FET歷史

在將第一批FET引入電子元件市場之前，這一概念已經存在了很多年。在實現這種類型的設備并使之工作方面存在許多困難。

1926年Lilienfield的一篇論文概述了場效應晶體管的一些早期概念，而Heil于1935年的另一篇論文概述了一些早期的概念。

下一個基金會是在1940年代貝爾實驗室成立的，在那里半導體研究小組得以成立。該小組研究了與半導體和半導體技術有關的許多領域，其中一個領域是可以調節半導體通道中流過的電流的設備，從而在電場附近施加電場。

在這些早期實驗中，研究人員無法使這個想法付諸實踐，無法將他們的想法轉變為另一個想法，并最終發明了另一種形式的半導體電子元件：雙極晶體管。

在此之后，大部分半導體研究都集中在改進雙極晶體管上，并且一段時間以來，對于場效應晶體管的想法還沒有得到充分研究。現在，FET已被廣泛使用，在許多集成電路中提供了主要的有源元件。沒有這些電子組件，電子技術將與現在的技術大不相同。

場效應晶體管基礎知識

場效應晶體管的概念基于以下概念：附近物體上的電荷可以吸引半導體通道內的電荷。它實際上是利用電場效應來運作的，因此得名。

FET由一個半導體通道組成，該半導體通道的兩端都有電極，稱為漏極和源極。

稱為柵極的控制電極非常靠近通道放置，因此其電荷能夠影響通道。

這樣，FET的柵極控制從源極流到漏極的載流子（電子或空穴）的流動。它通過控制導電通道的大小和形狀來實現。

發生電流流動的半導體溝道可以是P型或N型。這產生了兩種類型或類別的FET，稱為P溝道和N溝道FET。

除此之外，還有另外兩個類別。增大柵極上的電壓會耗盡或增加通道中可用載流子的數量。結果，存在增強型FET和耗盡型FET。

由于只有電場才控制通道中流動的電流，因此該設備被認為是電壓驅動的，并且具有很高的輸入阻抗，通常為許多兆歐。與電流操作且具有低得多的輸入阻抗的雙極晶體管相比，這可能是一個明顯的優勢。

場效應管電路

從具有分立電子元件的電路中使用的場效應晶體管到集成電路中所使用的晶體管，場效應晶體管被廣泛用于所有形式的電路中。

關于場效應晶體管電路設計的注意事項：

盡管三種基本配置是公共源極，公共漏極（源極跟隨器）和公共柵極，但場效應晶體管可以用于多種類型的電路。電路設計本身非常簡單，可以很容易地進行。

由于場效應晶體管是電壓驅動的器件，而不是像雙極晶體管那樣的電流器件，因此這意味著電路的某些方面非常不同：尤其是偏置裝置。但是，采用FET的電子電路設計相對容易-與使用雙極型晶體管的電路略有不同。

使用FET，可以設計電路，例如電壓放大器，緩沖器或電流跟隨器，振蕩器，濾波器等等，并且這些電路與雙極晶體管甚至熱電子閥/真空管的電路非常相似。有趣的是，閥/管也是電壓操作的設備，因此，即使在偏置裝置方面，它們的電路也非常相似。

場效應晶體管類型

有很多方法可以定義可用的不同類型的FET。不同的類型意味著在電子電路設計期間，可以為電路選擇合適的電子組件。通過選擇正確的器件，可以為給定的電路獲得最佳性能。

FET可以通過多種方式進行分類，但是下面的樹形圖可以涵蓋FET的一些主要類型。

市場上有許多不同類型的FET，其名稱各不相同。以下是一些主要類別的延遲。

結FET/JFET：結FET或JFET使用反向偏置的二極管結來提供柵極連接。該結構由可以是N型或P型的半導體通道組成。然后，以使二極管上的電壓影響FET溝道的方式將半導體二極管制造到溝道上。

在工作中，這是反向偏置的，這意味著它與通道有效隔離-只有二極管反向電流可以在兩者之間流動。JFET是最基本的FET類型，也是最早開發的類型。但是，它仍然在許多電子領域提供出色的服務。

絕緣柵極FET/金屬氧化物硅FET MOSFET：MOSFET在柵極和溝道之間使用絕緣層。通常，其由半導體的氧化物層形成。

IGFET名稱是指具有絕緣柵的任何類型的FET。IGFET最常見的形式是硅MOSFET-金屬氧化物硅FET。在此，柵極由一層金屬層制成，該金屬層位于氧化硅上，而氧化硅又位于硅溝道上。MOSFET廣泛用于電子學的許多領域，尤其是在集成電路中。

IGFET/MOSFET的關鍵因素是這些FET能夠提供的極高的柵極高阻抗。就是說，將有一個相關的電容，隨著頻率的升高，這將減小輸入阻抗。

雙柵極MOSFET：這是MOSFET的一種特殊形式，沿通道具有兩個串聯的柵極。與單柵極設備相比，這可以實現一些顯著的性能改進，尤其是在射頻方面。

MOSFET的第二個柵極在輸入和輸出之間提供了額外的隔離，此外，它還可用于混合/乘法等應用。

MESFET：金屬硅FET通常使用砷化鎵制造，通常被稱為GaAs FET。GaAsFET通常用于可提供高增益，低噪聲性能的RF應用。GaAsFET技術的缺點之一是柵極結構非常小，這使其對靜電，ESD的損壞非常敏感。處理這些設備時必須格外小心。

HEMT/PHEMT：高電子遷移率晶體管和偽高電子遷移率晶體管是基本FET概念的發展，但經過開發可實現非常高的頻率操作。盡管價格昂貴，但它們可以實現很高的頻率和高水平的性能。

FinFET：FinFET技術現在正在集成電路中使用，以通過允許更小的特征尺寸來實現更高級別的集成。由于需要更高的密度級別，并且越來越難以實現越來越小的特征尺寸，因此FinFET技術得到了越來越廣泛的應用。

VMOS：垂直MOS的VMOS標準。這是一種使用垂直電流來改善開關和載流性能的FET。VMOS FET廣泛用于電源應用。

盡管在文獻中還可以看到其他類型的場效應晶體管，但這些類型通常是特定技術的商品名，它們是上面列出的某些FET類型的變體。

場效應管規格

除了為任何給定的電路選擇特定類型的場效應晶體管外，還必須了解不同的規格。通過這種方式，可以確保FET將按照要求的性能參數運行。

FET規范包括從允許的最大電壓和電流到電容電平和跨導的所有內容。這些都在確定任何特定FET是否適合給定電路或應用中發揮著作用。

場效應晶體管技術可用于許多不適合使用雙極型晶體管的領域：這些半導體器件中的每一個都有其自身的優缺點，并且可以在許多電路中發揮巨大作用。場效應晶體管具有很高的輸入阻抗，是一種電壓驅動的器件，這使其可以在許多領域中使用。

FET數據手冊包含許多不同的參數和規格，這些參數和規格定義了特定FET類型的性能。

在開發新電路或更換現有FET時，重要的是要了解數據表中出現的不同參數和規格，以便可以選擇和使用正確的器件。

所有規格和參數在不同的應用中都很重要。同樣取決于器件，FET數據表可能會引用與器件所針對的特定參數相關的不同參數。

FET數據表的主要規格和參數

數據表中使用的一些主要FET規格定義如下。其中一些參數對于不同類型的FET（例如JFET）特別重要，而其他一些參數可能更適用于MOSFET等。

柵極源電壓V GS： FET參數V GS是柵極和源極端子之間可以承受的最大電壓的額定值。在數據手冊中包括此參數的目的是為了防止損壞柵極氧化物。實際的柵極氧化耐受電壓通常遠高于此值，但由于制造過程中存在的公差而會發生變化。建議保持在此額定值范圍內，以保持設備的可靠性。通常，許多設計規則表明該設備只能運行至該額定功率的60％或70％。

漏極-源極電壓V DSS：這是在不引起雪崩擊穿的情況下可以施加的最大漏極-源極電壓的額定值。該參數通常針對柵極與源極短路以及溫度為25°C的情況給出。根據溫度，雪崩擊穿電壓實際上可能小于V DSS額定值。

設計電路時，始終最好在要承受的最大電壓和V DSS規范之間留出較大的余量。通常，它們可以在50％V DSS左右運行以確保可靠性。

柵極反向漏電流Igss：

閾值電壓V GS（TH）： 閾值電壓V GS（TH）是可以在源極和漏極之間形成導電通道的最小柵極電壓。通常針對給定的源極漏極電流引用該值。

零柵極電壓I dss時的漏極電流：此FET參數是在設備完全開啟時設備可以承受的最大連續電流。通常，它是針對特定溫度（通常為25°C）指定的。

該FET規范基于結至外殼的熱阻額定值RθJC（結/溝道溫度）和外殼溫度。

該FET參數對于功率MOSFET尤其重要，當確定最大電流參數時，不考慮開關損耗。在實踐中也將殼體保持在25℃是不可行的。結果，實際開關電流應限制為小于I dss的一半在硬開關應用中TC = 25°C額定值時。通常使用三分之一到四分之一的值。

柵源截止電壓VGS（off）： 柵源截止電壓實際上是一個關斷指標。它定義了給定殘余電流的閾值電壓，因此該設備基本上處于關閉狀態，但處于開啟狀態。閾值電壓具有負溫度系數，即，它隨溫度升高而降低。該溫度系數還會影響開啟和關閉延遲時間，從而影響某些電路。

正向跨導G fs：

輸入電容C iss： FET的輸入電容參數是在柵極和源極端子之間測量的電容，漏極與AC信號的源極短路。換句話說，這實際上是柵極和溝道之間的電容。C iss由與柵極至源極電容C gs并聯的柵極至漏極電容C gd組成。可以表示為：

漏極-源極導通電阻，R ds（on）：在FET硬導通的情況下，這是在漏極和源極之間的溝道上展現的電阻（以歐姆為單位）。在從邏輯切換到電源切換的應用以及RF切換（包括混頻器的應用）中，這一點尤其重要。FET通常能夠提供良好的開關性能，并且具有相對較低的R ds（on）值。

功耗，P tot：該FET規范詳細說明了器件可以消耗的最大連續功率。功耗通常在空氣中獨立放置，或將底座保持在給定溫度（通常為25°C）下指定。實際條件，無論是放在散熱器中還是在自由空氣中，都將取決于設備類型和制造商。顯然，功率FET在保持在散熱器上的情況下更可能詳述，而自由空氣條件適用于信號FET。

FET數據表包含許多不同的參數和規格，以定義FET的性能。這些都在各種數據表中列出，這將使正確選擇FET成為可能。

晶體管在計算器和計算機中如何工作？

實際上，除非您要設計用于生活的計算機芯片，否則您不需要了解任何有關電子和空穴的知識！您需要知道的是，晶體管的工作原理類似于放大器或開關，它使用較小的電流來接通較大的晶體管。但是還有另一件事需要了解：這一切如何幫助計算機存儲信息并做出決策？

我們可以將幾個晶體管開關放在一起，以形成稱為邏輯門的東西，該邏輯門比較多個輸入電流并提供不同的輸出。邏輯門使計算機可以使用稱為布爾代數的數學技術做出非常簡單的決策。您的大腦以同樣的方式做出決策。例如，使用有關天氣和走廊上的東西的“輸入”（您知道的東西），您可以做出這樣的決定：“如果下雨了，我帶了雨傘，我會去商店”。這是使用“與”運算符的布爾代數的示例（單詞“ operator”只是一些數學術語，使事情看起來比實際復雜得多）。您可以與其他運營商做出類似的決定。“如果有風或正在下雪，那么我會穿上外套”是使用OR運算符的示例。或“如果下雨了，我有雨傘或我有一件外套，那沒關系”。使用AND，OR和其他運算符NOR，XOR，NOT和NAND，計算機可以累加或比較二進制數。這個想法是計算機程序：使計算機執行操作的邏輯指令系列。

通常，當沒有基極電流時，結型晶體管會“截止”，而當基極電流流動時，結型晶體管會變為“導通”。這意味著需要電流才能打開或關閉晶體管。但是像這樣的晶體管可以與邏輯門相連，因此它們的輸出連接會反饋到其輸入中。然后，即使去除了基極電流，晶體管也會保持導通狀態。每次有新的基極電流流過時，晶體管就會“翻轉”開或關。它保持在那些穩定狀態之一（開或關），直到出現另一種電流并以另一種方式翻轉它。這種安排被稱為觸發器，它將晶體管變成一個簡單的存儲設備，該設備存儲一個零（關閉時）或一個（打開時）。計算機內存芯片。

誰發明了晶體管？

圖稿：點接觸晶體管的原始設計，如John Bardeen和Walter Brattain的美國專利（2，524，035）所述，該專利于1948年6月（原始發現之后約六個月）提交，并于1950年10月3日授予。簡單的PN晶體管，在N型鍺（橙色）的下層上有一層薄的P型鍺（黃色）。三個觸點是發射極（E，紅色），集電極（C，藍色）和基極（G，綠色）。您可以在以下參考文獻中列出的原始專利文件中閱讀更多內容。藝術品由美國專利商標局提供。

1947年，三位杰出的美國物理學家在新澤西州的貝爾實驗室發明了晶體管：約翰·巴丁（1908–1991），沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）（1902–1987）和威廉·肖克利（1910–1989）。

由肖克利（Shockley）領導的團隊一直在嘗試為美國電話系統開發一種新型放大器，但是他們實際發明的放大器卻得到了更為廣泛的應用。Bardeen和Brattain于1947年12月16日星期二制造了第一個實用晶體管（稱為點接觸晶體管）。盡管Shockley在該項目中發揮了很大作用，但他為被淘汰而感到憤怒和激動。此后不久，他在一次物理會議上的旅館住宿期間，一手搞清楚了結型晶體管的原理，這是一種比點接觸型晶體管更好的器件。

當Bardeen離開Bell Labs成為一名學者（他繼續在伊利諾伊大學學習超導體的過程中獲得了更大的成功）時，Brattain呆了一段時間，然后退休成為一名老師。肖克利成立了自己的晶體管制造公司，并幫助激發了現代現象，即“硅谷”（硅谷）（電子公司聚集在加利福尼亞州帕洛阿爾托附近的繁華地區）。他的兩名員工Robert Noyce和Gordon Moore繼續創立了世界上最大的微芯片制造商Intel。

幾年后，Bardeen，Brattain和Shockley短暫團聚，因為他們的發現而獲得了世界最高科學獎 1956年諾貝爾物理學獎。
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