[FET（場效電晶體） 是一種三端半導體元件，利用閘極與源極的電壓來控制汲極和源極之間的電流流動。 好處在此，可以將 FET 用作電壓控制的電阻、放大器或開關，使其適用於類比和數位電子技術。
FET 具有多種不同類型，每種類型都有自己特定的材料、配置和幾何排列變化。 在 DigiKey 網站上，幾乎所有類型的單體封裝 FET 都歸類在「單一 FET、MOSFET」產品類別下。 其他也可能包含單體封裝 FET 的類別是「JFET（結點場效應）」和「RF FET」。 將這些裝置放在單獨的類別中也是有原因的。 如果有人需要這些其他產品類別的裝置，他們應該知道如何查找，而不需要的人則可以避開，只在更通用的「單一 FET、MOSFET」產品類別中尋找物料。
DigiKey 的庫存 FET 產品類別十分龐大。 幸運的是，DigiKey 的參數搜尋功能可以根據所有 FET 類型共有的規格進行篩選。 這種方法可以自然地將使用者引導到正確的 FET 類型，並最終根據性能要求進行篩選，以找到最適合應用的特定 FET。
N 通道（NMOS）增強型 MOSFET
增強型 MOSFET 是最常用的 FET 型。 由於其應用十分廣泛，因此這裡先介紹一下傳統 N 通道增強型 MOSFET 的基本結構和工作原理。 後面關於 P 通道和耗盡型元件的部分，假設讀者已經閱讀並理解了 N 通道增強型部分的所有資訊。
基本結構與工作原理
圖 1 顯示了 N 通道增強型 MOSFET 的橫截面。 使用 P 型基板作為本體，並在其中形成兩個重度摻雜的 N 型區域。 基板表面上形成了一層薄薄的電絕緣氧化物層，跨越兩個 N 型區域之間的長度。 在所示的黑色條紋處添加金屬化或多晶矽層，以便與外部導體連接。
圖 1 ： N 通道增強型 MOSFET。
除了本體連接外，這些金屬連接點也構成了所有 FET 共享且大家熟知的閘極、汲極和源極連接。
圖 2 顯示了，當從閘極到源極連接施加足夠的正電壓時，P 型本體中會產生 N 型通道。 首次形成導電通道所需的電壓稱為閾值電壓，但在該通道中的移動負電荷密度會隨著額外的正柵源電壓的增加而繼續增加。
圖 2 ： N 通道增強型 MOSFET 的基本運作原理。
產生的通道允許電流在汲極和源極之間流動。 進一步增強的通道意味著更大的移動負電荷密度和更強的導電性。
電流可以在通道中雙向流動，但在 N 通道 FET 應用中，電流通常從汲極流向源極。 這一點將內在的本體二極體 (Intrinsic body diode) 的部分中詳細介紹。
場效應
通道的移動負電荷密度實際上是由柵極源電壓產生的電場控制的。 圖 3 所示有助於以視覺理解這電場特性。
圖 3 ： N通道增強型 MOSFET 氧化物層上的差分電荷累積。
圖中顯示了閘極金屬化處的正電荷累積和產生的 N 型通道中的負電荷累積。 我們可以將其視為平行板電容。 柵極和通道充當平板，氧化物充當絕緣介質。 氧化物層中產生的電場是控制內部移動負電荷密度和通道導電性的機制。
其他類型的 FET 可能會在材料、配置或幾何排列上有所不同，但電壓控制通道導電性的場效應機制適用於任何 FET。
本體連接
仔細觀察圖 2 和圖 3 就會發現一個上文未提及的細節。 在這兩種情況下，閘極的偏壓是相對於源極和本體的；源極和本體連接在一起，因此保持相同的電壓位勢。
本體與源極的連接有助於產生導電通道。 如果沒有正確偏置本體，MOSFET 可能無法正常運作。 幾乎所有市場上的分立 FET 內部都進行了本體到源極的連接，而這也是 FET 通常被視為三端裝置的原因。 這種連接實際上是用來表示 MOSFET的許多電路符號的一部分，如圖 4 所示。
圖 4 ： N 通道增強型 MOSFET 的電路符號。
分立 FET 中直接將本體連接到源極的情況很少見。 如果使本體連接處於未連接狀態並供設計者使用，則圖 5 的符號將更準確。
圖 5 ： 具有未連接到源極的外部本體連接的N 通道增強型 MOSFET 的電路符號。
在其他罕見的情況下，分立 FET 製造商可能會採用除與源極直接連接以外的某種方式來偏置本體， 將本體用作工程自由度的另一個方式。
與分離式 FET 不同，單晶片積體電路通常將公共本體（大塊基板）與裝置的一個電源軌連接。 此外，它們的電路圖常常使用較簡單的 FET 符號。 當需要繪製大量單獨的 FET 時，這樣做可以避免電路圖過於混亂。
內部的本體二極體 (Intrinsic Body Diode) 和 BJT
同樣，仔細觀察圖 4 和圖 5 就會發現一個上文未提及的細節。 這些符號中有從本體指向汲極和源極的二極體。 圖 4 沒有顯示本體到源極二極體，因為它被本體內部到源極連接短路了。
這些二極體被稱為本體二極體 (Body Diode)，除了 JFET 之外，它們是任何 FET 類型所固有的。 圖 6 展示了主體二極體的來源。 FET 結構中的基板與摻雜區域之間存在 P-N 接點。
圖 6 ： 以符號表示具有內在本體二極體的 N 通道增強型 MOSFET 的截面。
在 N 通道 FET 應用中，由於本體二極體的極性，電流通常從汲極流向源極。 即使沒有產生通道，電流仍然可以透過短路的源極到本體連接和本體到汲極二極體從源極流向汲極。 因此，典型的 N 通道 FET 無法阻止從源極到汲極的電流流動。
在某些應用中（例如某些 DC-DC 轉換器），實際上依賴本體二極體進行正常電路運作。 相較之下，在其他應用中（例如某些電源選擇器），必須在兩個方向上阻止電流流動 ，需要使用更多 FET 數量。
兩個背靠背的 P-N 接點也會在 FET 內部形成一個內在的 BJT（雙極接點電晶體）；然而，由於短路的本體到源極連接，它實際上並不存在。
P 通道（PMOS）增強型 MOSFET
在了解上文對 N 通道增強型 MOSFET 的說明之後，可以在此基礎上繼續理解 P 溝道增強型 MOSFET。 如果進行以下更改，則解釋基本上相同：
- N 型區域變成 P 型，反之亦然。
- 電壓和二極體的極性相反。
- 任何負電荷的物料都被替換為正電荷，反之亦然。
- 儘管產生通道仍然可以雙向流動電流，但在 P 通道 FET 應用中，通常電流從源極流向汲極。
考慮到這些變化，圖 7 顯示了簡單的 P 通道增強型 MOSFET。
圖 7 ： P 通道增強型 MOSFET的截面。
圖 8 顯示了，當從柵極源連接施加足夠的負電壓時，N 型本體中會產生 P 型通道。 首次形成導電通道所需的電壓稱為閾值電壓，但在該通道中的移動正電荷密度會隨著額外的負柵源電壓的增加而繼續增加。
圖 8 ： P通道增強型Mos管的基本運作原理。
圖 8 假設給出的閾值電壓位負電壓值，因此柵極源電壓必須等於或更負（更小）於閾值電壓才能形成導電通道。 有時 FET 製造商均會使用此相同的慣例。 其他時候，給出的閾值電壓為正數，但對於增強型 P 通道 FET，必須將其理解為一個量值。
產生的通道允許電流在源極和汲極之間流動。 進一步增強的通道意味著更大的移動正電荷密度和更強的導電性。
控制通道導電性的電場機制相同，但極性相反。 圖 9 顯示了這一點。
圖 9 ： P 通道增強型 MOSFET 氧化物層上的差分電荷累積。
內部的本體到源極連接仍然是常態。 符號略有不同；本體箭頭和本體二極體的方向相反。
圖 10 ： P 通道增強型 MOSFET 的電路符號。
仍然存在內在的本體二極體和 BJT，但再次透過內部的本體到源極連接，BJT 以及位於源極和本體之間的本體二極體實際上並不存在。
圖 11 ： 以符號表示具有內在的本體二極體的P通道增強型Mos管的截面。
在 P 通道 FET 應用中，由於本體二極體的極性，電流通常從源極流向汲極。 即使沒有產生通道，電流仍然可以透過汲極到本體二極體和短路的本體到源極連接從汲極流向源極。 因此，典型的 P 通道 FET 無法阻止從汲極到源極的電流流動。
耗盡型 MOSFET
與上文討論的增強型裝置相比，耗盡型 MOSFET 在物理上存在一個主要的不同之處；耗盡型 MOSFET 在漏極和源極區域之間物理植入了一個通道。 這意味著，即使在閘極源電壓為零時，耗盡型元件在汲極和源極之間仍有導電路徑。 此通道可以透過與增強型元件相同的方式進行增強，以提高通道的導電性，但也可以在通道中產生載子耗盡區，以減少或消除通道的導電性。
雖然本文中未予討論，但值得注意的是，出於結構的原因，JFET 都是固有耗盡型裝置。
N 溝道耗盡型 MOSFET
圖12 顯示了 N 通道耗盡型 MOSFET的基本結構。
圖 12 ： N 通道耗盡型 MOSFET的橫截面。
在零柵源電壓下，重度摻雜區和 N 通道中的負載流子預設提供從汲極到源極的完整導電路徑。
與 N 通道增強型 MOSFET 一樣，可以透過額外的正柵源電壓增加負載流子的密度。 就像之前一樣，這種通道增強可以產生更強的導電性。 為了降低通道的導電性，閘極電壓必須相對於源極降低，並且在通道有效消除的位置的閾值電壓為負值。 導電性的降低是由植入通道中的載子耗盡導致的，閘極的負電荷累積將移動負電荷排出植入通道。 圖 13 以圖形方式展示了，當柵極源電壓在零伏特以上和低於閾值電壓之間來回變化時，N通 道耗盡型 MOSFET 中的增強和耗盡的過程。
圖 13 ： N 通道耗盡型 MOSFET 的基本運作原理。
為了適當地表示耗盡型元件，電路圖符號也應變更。 圖14 顯示了 N 通道耗盡型 MOSFET 的符號，與增強型元件相比，唯一的變化是透過本體連接汲極和源極的實線。
圖 14 ： N 通道耗盡型 MOSFET 的電路符號。
這條實線可以被視為植入通道，而圖 4 中的增強型元件的分段汲極、本體、源極線表示並沒有植入通道。
P通道耗盡型 MOSFET
雖然這些裝置並沒有作為分立元件使用，但為了完整起見，這裡也討論一下 P 通道耗盡型 MOSFET。 圖 15 顯示了 P 通道耗盡型 MOSFET 的基本結構。
圖 15 ： P 通道耗盡型 MOSFET 的橫截面。
在零柵源電壓下，重度摻雜區和 P 通道中的正載流子預設提供從源極到汲極的完整導電路徑。
與 P 通道增強型 MOSFET 一樣，可以透過額外的負柵源電壓增加正載子的密度。 就像之前一樣，這種通道增強可以產生更強的導電性。 為了降低溝道的導電性，閘極電壓必須相對於源極提高，並且在通道有效消除的位置的閾值電壓為正值。 導電性的降低是由植入通道中的載子耗盡導致的，閘極的正電荷累積將移動正電荷排出植入通道。 圖 16 以圖形方式展示了，當柵極源電壓在零伏特以下和高於閾值電壓之間來回變化時，P 通道耗盡型 MOSFET 中的增強和耗盡的過程。
圖 16 ： P 通道耗盡型 MOSFET 的基本運作原理。
為了適當地表示耗盡型元件，電路圖符號也應變更。 圖 17 顯示了 P 通道耗盡型 MOSFET 的符號。
圖 17 ： P 通道耗盡型 MOSFET 的電路符號。
MOSFET 特徵總結表
| N 通道增強型 | P 通道增強型 | N 通道耗盡型 | P 通道耗盡型 | |
|---|---|---|---|---|
| 符號 |  |
 |
 |
 |
| 在典型的應用中，通道電流的流動方向 | 從汲極到源極 | 從源極到汲極 | 從汲極到源極 | 從源極到汲極 |
| 在柵極源極電壓為零時存在導電通道 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 通道導電性的提高條件 | 柵極源電壓增加 | 柵極源電壓降低 | 柵極源電壓增加 | 柵源電壓降低 |
| 柵極源閾值電壓為 | 正 | 負 | 負 | 正 |
| 當閘極源電壓滿足以下條件時，導電通道斷開 | 低於閾值電壓 | 高於閾值電壓 | 低於閾值電壓 | 高於閾值電壓 |
備註：
- MOSFET 符號通常省略了本體二極體，但即使沒有明確標示，該二極體始終存在。
- 柵極源閾值電壓可能以正值（大小）給出，甚至對於 P 通道增強型和 N 通道耗盡型元件也是如此，但實際上它們始終是負值。 DigiKey 的參數資料將所有柵極源閾值電壓列為正值。 這樣做有助於比較不同的製造商，而不受其規格書使用慣例的影響。
- 閾值電壓也可以表示為源柵電壓，而不是柵極源電壓。 這只是透過改變測量的參考方向來改變電壓的符號，裝置本身的行為並沒有任何不同。
- 雖然這些裝置並沒有作為分立元件使用，但為了完整起見，這裡也討論了 P 通道耗盡型 MOSFET 。
參考
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