• 場效應晶體管

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    場效應晶體管

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    場效應晶體管(FET)是一種類型的晶體管,使用一個電場來控制的流動電流在半導體。場效應晶體管是具有三個端子的器件:源極、柵極和漏極。FET通過向柵極施加電壓來控制電流的流動,從而改變漏極和源極之間的電導率。

    場效應晶體管也稱為單極晶體管,因為它們涉及單載流子類型的操作。也就是說,場效應晶體管在其操作中使用電子空穴作為電荷載流子,但不能同時使用兩者。存在許多不同類型的場效應晶體管。場效應晶體管通常在低頻時顯示出非常高的輸入阻抗。使用最廣泛的場效應晶體管是MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)。

    場效應晶體管的組成

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    場效應晶體管可以由各種半導體構成,其中硅是迄今為止最常見的。大多數FET是通過使用傳統的體半導體加工技術制造的,使用單晶半導體晶片作為有源區域或通道。

    其中比較不尋常的主體材料是基于有機半導體的薄膜晶體管有機場效應晶體管(OFET)中的非晶硅、多晶硅或其他非晶半導體;通常,OFET柵極絕緣體和電極也由有機材料制成。此類FET使用多種材料制造,例如碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和砷化銦鎵(InGaAs)。

    2011年6月,IBM宣布已成功在集成電路中使用基于石墨烯的FET。這些晶體管的截止頻率約為2.23GHz,遠高于標準硅FET。

    場效應晶體管的類型

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    場效應晶體管的溝道被摻雜以產生n型半導體或p型半導體。在增強型FET的情況下,漏極和源極可以以與溝道相反的類型摻雜,或者在耗盡型FET中以與溝道相似的類型摻雜。場效應晶體管的區別還在于溝道和柵極之間的絕緣方法。場效應晶體管的類型包括:

    • 在MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)利用一個絕緣體(通常的SiO2的柵極和主體之間)。這是迄今為止最常見的FET類型。
      • DGMOSFET(雙柵極MOSFET)或DGMOS,具有兩個絕緣柵極的MOSFET。
      • IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是一種功率控制器件。它具有類似于與雙極型主傳導通道耦合的MOSFET的結構。這些通常用于200–3000V漏源電壓范圍的操作。功率MOSFET仍然是1至200V漏源電壓的首選器件。
      • JLNT(無結納米線晶體管)是一種場效應晶體管(FET),其通道是一條或多條納米線,不存在任何結。
      • MNOS(金屬-氮化物-氧化物-半導體晶體管)在柵極和主體之間使用氮化物-氧化物層絕緣體。
      • 所述ISFET(離子敏感場效應晶體管)可以被用于測量溶液中的離子濃度;當離子濃度(如H+,見pH電極)發生變化時,通過晶體管的電流也會相應發生變化。
      • 的BioFET(生物敏感場效應晶體管)是一類基于傳感器/生物傳感器的ISFET被用于檢測帶電分子技術;當存在帶電分子時,BioFET表面靜電場的變化會導致通過晶體管的電流發生可測量的變化。這些包括酶修飾的FET(EnFET)、免疫學修飾的FET(ImmunoFET)、基因修飾的FET(GenFET)、DNAFET、基于細胞的BioFET(CPFET)、甲蟲/芯片FET(BeetleFET)和基于離子通道/蛋白質結合。
      • DNAFET(DNA場效應晶體管)是一種用作生物傳感器的專用FET,通過使用由單鏈DNA分子構成的門來檢測匹配的DNA鏈。
    • 場效應晶體管的JFET(結型場效應晶體管)使用反向偏置p-n結的柵極從所述主體分離。
      • 所述靜電感應晶體管(SIT)是具有短溝道型JFET的。
    • DEPFET是在完全耗盡的襯底中形成的FET,同時充當傳感器、放大器和存儲節點。它可以用作圖像(光子)傳感器。
    • FREDFET(快速反向或快速恢復外延二極管FET)是一種專門設計的FET,旨在為體二極管提供非常快速的恢復(關斷),從而方便驅動電動機等感性負載,尤其是中等動力無刷直流電機
    • HIGFET(異質結構絕緣柵場效應晶體管)現在主要用于研究。
    • MODFET(調制摻雜場效應晶體管)是一種高電子遷移率晶體管,其使用通過有源區的漸變摻雜形成的量子阱結構。
    • TFET(隧道場效應晶體管)基于帶間隧道效應。
    • 的HEMT(高電子遷移率晶體管),也稱為一個HFET(異質結構FET),可以使用由能帶隙工程的三元半導體如的AlGaAs。完全耗盡的寬帶隙材料形成柵極和主體之間的隔離。
    • 該MESFET(金屬半導體場效應晶體管)代替了p-n結與所述JFET的肖特基勢壘;并用于GaAs和其他III-V族半導體材料。
    • 所述NOMFET是納米顆粒的有機存儲器場效應晶體管。
    • GNRFET(石墨烯納米帶場效應晶體管)使用石墨烯納米帶作為其通道。
    • VeSFET(垂直狹縫場效應晶體管)是一種方形無結FET,在對角處有一條窄縫連接源極和漏極。兩個柵極占據其他角落,并控制通過狹縫的電流。
    • CNTFET(碳納米管場效應晶體管)。
    • OFET(有機場效應晶體管)在其通道中使用有機半導體。
    • QFET(量子場效應晶體管)利用量子隧道效應,通過消除傳統晶體管的電子傳導區域,xxx提高了晶體管的運行速度
    • SB-FET(肖特基勢壘場效應晶體管)是一種具有金屬源極和漏極接觸電極的場效應晶體管,可在源極-溝道和漏極-溝道界面處產生肖特基勢壘。
    • GFET是一種高靈敏度的基于石墨烯的場效應晶體管,用作生物傳感器和化學傳感器。由于石墨烯的二維結構及其物理特性,GFET提供了更高的靈敏度,并減少了傳感應用中“誤報”的情況
    • 所述的FeFET采用強電介質的柵極之間,使晶體管保持在不存在偏壓的其狀態-這樣的設備可以具有應用程序作為非易失性存儲器

    場效應晶體管的優點

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    場效應晶體管具有高柵極至漏極電流電阻,約為100MΩ或更高,可在控制和流量之間提供高度隔離。由于基極電流噪聲會隨著整形時間而增加,FET產生的噪聲通常比雙極結型晶體管(BJT)低,并且在噪聲敏感電子設備中可以找到,例如用于VHF和衛星接收器的調諧器和低噪聲放大器。它對輻射相對免疫。它在零漏電流時不表現出失調電壓,是一款出色的信號斬波器。它通常比BJT具有更好的熱穩定性。

    因為FET由柵極電荷控制,所以一旦柵極關閉或打開,就沒有額外的功率消耗,就像雙極結晶體管或在某些狀態下使用非鎖存繼電器一樣。這允許極低功耗的開關,這反過來又允許電路更小型化,因為與其他類型的開關相比,散熱需求減少了。

    場效應晶體管

    場效應晶體管的缺點

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    與雙極結型晶體管相比,場效應晶體管的增益帶寬積相對較低。MOSFET非常容易受到過載電壓的影響,因此在安裝過程中需要進行特殊處理。MOSFET的柵極和溝道之間脆弱的絕緣層使其在處理過程中容易受到靜電放電閾值電壓變化的影響。在將設備安裝在設計合理的電路中后,這通常不是問題。

    FET通常具有非常低的“開”電阻和高“關”電阻。然而,中間電阻很重要,因此FET在開關時會耗散大量功率。因此,效率可以優先考慮快速切換,但這會導致瞬態,從而激發雜散電感并產生可耦合到柵極并導致意外切換的顯著電壓。因此,FET電路可能需要非常仔細的布局,并且可能涉及開關速度和功耗之間的權衡。在額定電壓和“導通”電阻之間也存在權衡,因此高壓FET具有相對較高的“導通”電阻,因此存在傳導損耗。

    故障模式

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    場效應晶體管相對穩健,尤其是在制造商定義的溫度電氣限制(適當降額)內運行時。然而,現代FET器件通常可以包含體二極管。如果不考慮體二極管的特性,則FET可能會經歷緩慢的體二極管行為,即當FET關閉時,寄生晶體管將開啟并允許從漏極到源極汲取大電流。

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    詞條目錄
    1. 場效應晶體管
    2. 場效應晶體管的組成
    3. 場效應晶體管的類型
    4. 場效應晶體管的優點
    5. 場效應晶體管的缺點
    6. 故障模式

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