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博客 · 从半导体到晶体管

从半导体到晶体管 #06 — 场效应晶体管：不接触就能打开的门

2026年9月16日·浏览 3·评论 0

系列从半导体到晶体管·6 / 9篇

上一篇里我们第一次遇见了端子有三个的器件——结型晶体管（BJT）。它的结构是：往基极灌入小电流，集电极就会流过大电流。这是用小东西带动大东西的第一种办法。

可是这种办法附带着一份代价：要控制就得用电流。灌进基极的电流不是信号，它被用来打开器件然后就消失了。若不是一个器件，而是把数亿个放到同一块芯片上，这份代价立刻就变成了热和功耗。

本篇要回答的问题是这样的：能不能不用电流就把器件打开。答案是「能」，采用这种办法的器件叫作场效应晶体管（FET，Field-Effect Transistor）。

正文中的条件数值是为了展示计算过程的示例，并非某家公司的规格。文中引用的数值都在公开文献中核对过，出处列在文末。

从端子的名字重新取起

英文维基百科《Field-effect transistor》条目把 FET 定义为利用电场来控制半导体内电流的晶体管。并且这样给三个端子命名。

  • 源极（Source）——载流子进入通路的地方。
  • 漏极（Drain）——载流子从通路离开的地方。
  • 栅极（Gate）——调节通路电导率的端子。在这里加电压，就能控制漏极电流。

《Field-effect transistor》条目写道，这三者与 BJT 的发射极·集电极·基极大致对应。而且大多数 FET 还多出第四个端子——衬底（Body）。它指的是承载源极·栅极·漏极的那块半导体本身，用来把器件安放在工作点上。

源极与漏极之间供载流子通行的那条路，就是沟道（Channel）。

《Field-effect transistor》条目说明，可以把栅极想成真的在开关一扇门。栅极通过造出或抹去沟道，来让电子通过或把它挡住。如果说 BJT 的基极是一个介入流动之中的端子，那么 FET 的栅极就是一个铺路或抹路的端子。

这里又冒出一个与 BJT 分道的性质。《Field-effect transistor》条目写道，与 BJT 不同，大多数 FET 在电学上是对称的，因此把源极与漏极对调着接，动作也不会改变。发射极与集电极因为掺杂浓度不同而不能互换。在 FET 里，这个区分只不过取决于电路把更高的电压加在了哪一侧。

并不接触——「场效应」这个名字的含义

FET 的核心就在结构的一处：栅极并没有接触沟道。中间夹着一层薄薄的绝缘膜。

维基百科《MOSFET》条目描述道，栅极被一层薄薄的绝缘层与沟道隔开，传统上用的是二氧化硅。而 FET 条目写道，划分 FET 的判据之一，就是用什么把沟道与栅极绝缘开。绝缘不是枝节，而是分类的坐标轴。

既然没有接触，控制是怎么实现的呢。MOSFET 条目给出了回答：在栅极与源极之间加上电压，由此产生的电场会穿透氧化膜，在半导体与绝缘膜相接的面上造出沟道。

渡过去的是电场，不是电荷。把磁铁放在纸上，纸底下的铁粉就会动起来。磁铁并没有碰到铁粉。栅极对沟道所做的事正与此相同，因此名字叫作场效应（Field Effect）。

栅极里不会有电流流过

既然有绝缘膜，理所当然的结果就随之而来。MOSFET 条目这样写 MOSFET 在数字开关中的一大优点——栅极与沟道之间的氧化膜阻止了直流流入栅极，从而进一步降低了功耗，并给出极大的输入阻抗。FET 条目也描述道，FET 在低频下呈现极高的输入阻抗。

这与 BJT 形成正面的对照。BJT 在导通期间必须持续流过基极电流。FET 则是只要加上一次电压，就那样一直开着。维持打开状态不需要任何稳态电流。

FET 条目写道，FET 也被称作单极（unipolar）晶体管。因为它在电子（n 沟道）与空穴（p 沟道）之中只用一种。BJT 把两者都调动了起来，所以才是「双极」。

这个想法比 BJT 还要古老。谷歌专利上公开的 US 1,745,175（尤利乌斯·埃德加·利林菲尔德，1926 年申请·1930 年授权）载有这样的叙述：由于膜的厚度极小，对其施加静电力就会影响该膜的电导率。这个构想比 1947 年的点接触晶体管早了 20 多年。

场效应晶体管的剖面结构——栅极金属与沟道之间有绝缘膜，因此栅极电流为 0，只有电场越过绝缘膜作用到沟道上

MOS——上一篇的电容器就在这里

栅极·绝缘膜·半导体。这三层有一个固定的名字。取金属（Metal）·氧化膜（Oxide）·半导体（Semiconductor）的首字母，称作 MOS 结构。用这种结构做成的场效应晶体管就是 MOSFET。

MOSFET 条目描述道，MOS 结构是在硅衬底上生长一层二氧化硅，再在其上覆以金属或多晶硅而得到的。接下来的这一句正是本篇的核心。

那就是：由于二氧化硅是电介质，这个结构等同于其中一个电极换成了半导体的平板电容器。

上一篇看过的式子可以原样搬过来。

C = ε A / d

对应关系是这样接上的。

  • ε——栅极绝缘膜的介电常数。只不过夹进去的电介质换成了氧化膜而已。
  • A——栅极正对沟道的面积。
  • d——绝缘膜的厚度。以前由耗尽层担任的角色，如今由氧化膜来担任。

上一篇的结电容是不想要也会跟着来的电容。MOS 的电容则是特意造出来，并且靠它让器件动作。同一个式子，一处是妨碍，一处是部件。

试着代一次数字

单位面积上的电容另有一个名字叫氧化膜电容，用小写字母来写。Engineering LibreTexts 的《Basic MOS Structure》写道，栅极与衬底构成了一种以氧化膜为绝缘层的平行板电容器，并把单位面积上的电容定义如下。

cox = εox / xox

下面把《Basic MOS Structure》所举的示例值原样搬来计算。本文把下面两个值假定为《Basic MOS Structure》的示例来进行计算。

  • 二氧化硅的介电常数 εox ≈ 3.3 × 10−13 F/cm
  • 氧化膜厚度 xox = 250 Å = 2.5 × 10−6 cm

相除便得到 cox ≈ 1.30 × 10−7 F/cm2。与文献所记的值一致。

这里分母是厚度这一点，把器件的整部历史都解释清楚了。MOSFET 条目描述道，要把器件缩得非常小，就必须把栅极电介质层做得极薄，在最新的技术中约为 1 nm。保持同样的介电常数，只把厚度换成 1 nm（= 1 × 10−7 cm）再除一次，得到 cox ≈ 3.3 × 10−6 F/cm2。250 Å 就是 25 nm，所以厚度变成了 1/25，单位面积上的电容便成了 25 倍。

电容大，意味着用同样的栅极电压能把更多电荷召集到沟道里。这就是把绝缘膜做薄等于把器件做强的缘由。从材料上也可以瞄准同一件事。维基百科《Relative permittivity》条目的表格把二氧化硅的相对介电常数记作 3.9，硅记作 11.68。意思是，还有一条把分子 ε 做大的路。

MOS 结构与平行板电容器的对应——栅极金属是一侧电极，氧化膜是电介质，半导体是另一侧电极，单位面积上的电容就是介电常数除以厚度

栅极电压对沟道做的事——三种状态

现在给这个电容器加上电压。把衬底设为 p 型，多数载流子是空穴。随着所加电压的不同，界面附近会分为三种状态。Engineering LibreTexts 的《MOS Fundamentals》把这三者分为积累·耗尽·反型。

积累（accumulation）——沿着把多数载流子拉向界面的方向加电压。《MOS Fundamentals》描述道，在这种状态下多数载流子浓度在氧化膜–半导体界面附近比体内更高。若是 p 型，空穴就厚厚地铺在界面上。

耗尽（depletion）——朝相反方向加一点电压。MOSFET 条目写道，从栅极对 p 型衬底加正电压，就会把带正电的空穴从界面推开，留下只剩不能移动的负受主离子的无载流子区域。第 03 篇里看过的耗尽层，同一类的层在这里也生成了。

反型（inversion）——把正电压再加大。MOSFET 条目描述道，栅极电压升得足够高时，在绝缘膜与半导体相接的面旁边那薄薄的一层里，负载流子会以高浓度聚集而形成反型层。p 型衬底的表面被翻转成了以电子为多数的层。所以叫「反型」。

这个反型层就是沟道。MOSFET 条目写道，反型层为电流在源极与漏极之间通过提供了通路。源极与漏极是 n 型，它们之间的衬底是 p 型，所以在反型发生之前，两者之间并没有路。栅极电压铺出了原本不存在的路。

阈值电压——这里只讲名字

那条路开始出现时的电压，有一个名字。维基百科《Threshold voltage》条目把阈值电压（Vth）定义为在源极与漏极之间造出导电通路所需的最小栅源电压。MOSFET 条目则把同一个值记作反型层的电子密度与衬底的空穴密度相等时的栅极电压。只是说法不同，所指的那一点是一样的。

一个器件的性格几乎全都装在这个数字里，因此单把测量与提取这个值拿出来讲的话题另有一摊。本系列只留下名字与含义便往下走。

增强型与耗尽型

依照沟道从什么时候开始存在，器件分成了两支。FET 条目与 Threshold voltage 条目写的是同样的内容。

增强型（enhancement-mode）器件内部本来并不存在导电沟道。若是 n 沟道，就必须加上正的栅源电压才会生成沟道。不加电压，它就是关着的。MOSFET 条目把增强型概括为：加在栅极上的电压提高了器件的电导率。

耗尽型（depletion-mode）则相反。Threshold voltage 条目写道，n 沟道耗尽型器件本来就存在导电沟道，并描述要关断它需要负电压。MOSFET 条目也写道，在耗尽型中，加在栅极上的电压降低了电导率。

拿来当开关用，增强型更方便。什么都不加时是关着的那一边更安全。

MOSFET 与 TFT——同样的原理，不同的位置

到此为止的叙述，都以半导体就是硅晶圆本身为前提。沟道生成在那片晶圆的表面上。可是要做屏幕，情形就不一样了。没法把一片玻璃换成硅晶圆。

维基百科《Thin-film transistor》条目把薄膜晶体管（TFT）定义为用薄膜沉积做成的一种特殊的场效应晶体管，并写道它是生长在像玻璃那样只起支撑、并不导电的衬底上的。而且明确指出，这正是与半导体材料本身即衬底的体硅 MOSFET 的不同之处。

缩成一句话就是：MOSFET 把半导体刻出来用，TFT 则把半导体铺上去用。

铺上去这一点，连动作方式也一并改变了。发表在学术期刊 Scientific Reports 上的 InGaZnO 薄膜晶体管研究（DOI 10.1038/srep22567）这样描述——硅 MOSFET 以反型模式导电，而 TFT 则与沟道材料无关，以载流子积累模式工作。Scientific Reports 论文补充道，在积累模式的器件中被感应出的载流子的极性不会翻转。

不同之处在于，前面看过的三种状态里用的是哪一种。

  • MOSFET——在 p 型衬底上用反型造出电子层来用。从衬底的角度看，沟道里的载流子是少数载流子。FET 条目也写道，反型层把少数载流子的流动约束了起来。
  • TFT——在铺上去的半导体薄膜里把同一种载流子积累起来用。因为极性不会翻转，载流子的种类也就不会改变。

铺什么上去则是敞开的。TFT 条目列举道，非晶硅与多晶硅一直在被使用，此外像铟镓锌氧化物（IGZO）这样的金属氧化物、有机半导体、碳纳米管也都在使用。上一篇里看过的一个像素里的那个开关，就是这个器件。

随栅极电压而定的积累·耗尽·反型三种状态，以及用反型来打开的 MOSFET 与用积累来打开的 TFT 之对比

小结

  • FET 的栅极并没有接触沟道。中间有绝缘膜，渡过去的不是电荷而是电场。这就是名字叫「场效应」的缘由。
  • 因此栅极里不会有直流流过。输入阻抗极大，维持导通不需要任何稳态电流。这正是它与用电流去控制的 BJT 分道之处。
  • 栅极·氧化膜·半导体的 MOS 结构，就是把一个电极换成了半导体的平板电容器。C = εA/d 原样适用，单位面积上的电容是 cox = εox/xox。因为厚度在分母上，把绝缘膜做薄就等于把器件做强。
  • 栅极电压把界面驱向积累 · 耗尽 · 反型三种状态。沟道开始生成时的电压就是阈值电压。
  • MOSFET 刻晶圆、用反型，TFT 在玻璃上铺半导体、用积累来打开沟道。这是把同样的原理用在不同位置上的两种器件。

到这里我们看完了把器件打开的办法。下一篇要转到打开之后的故事——把栅极电压一点一点升上去时，漏极电流会画出怎样的曲线，那条曲线的哪一段用来当开关、哪一段用来做放大。

参考资料

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