场效应管（Field Effect 晶体管，FET）全称场效应晶体管，又称单极型晶体管，是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，是以小的输入电压控制较大输出电流的电压型控制放大器件。

1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管的基本定律。1930年，Lilienfeld又将绝缘栅结构引进场效应晶体管，开创了绝缘栅型场效应晶体管的先河。1960年，Kahng和Atalla研发出了第一个硅基的金属-氧化物-半导体场效应晶体管。1962年，Weimer用多晶CaS薄膜做成了薄膜场效应晶体管。1970年，Bergveld研制出离子敏感场效应晶体管。 在1973年，Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示(AM-LCD)，并用CdSeTFT作为开关单元。1979年,Comber，Spear和 Ghaith发表了基于不定型硅----即a-硅的tft的研究。1980年Janata利用FET选择性地检测苄青霉素。

场效应管可以分为结型、绝级栅型两大类。每一大类按其导电沟道可分为N沟道和P沟道两种。因功耗小、体积小、热稳定性好、易于集成化这些优点，而被广泛应用于模拟集成电路和数字集成电路中。

在1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管的基本定律，开辟了对固态放大器的研究。1930年，Lilienfeld又将绝缘栅结构引进场效应晶体管(后来被称为MISFETs)，在专利中发表了该工作，构建了其基本构造并阐述了其工作原理，开创了绝缘栅型场效应晶体管的先河。

1960年，Kahng和Atalla研发出了第一个硅基的金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-半导体FETs,MOSFETs)，这是品体管历史上的又一个重大突破。从此，晶体管作为取代电子管的运算器件进入到计算机设计中，使得计算机发展进入一个新时代。1962年，Weimer用多晶CaS薄膜做成了薄膜场效应晶体管(Thin-film field-effect transistors,TFTs)。随后，又涌现了用CdSe、InSb、Ge等半导体材料做成的薄膜晶体管器件。1970年，Bergveld研制出离子敏感场效应晶体管（ISFET），这种传感器可以用于测量电化学和生物体内的活性离子。Janata在1976年不仅提出了化学选择性FET的概念，而且还提出了将FET微型化的想法，同时离子敏感FET不仅可用于化学和生物方面的研究，还可以与其他电化学分析装置联用并应用于其它方面。在1973年，Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示(AM-LCD)，并用CdSeTFT作为开关单元。1979年,Comber，Spear和 Ghaith发表了基于不定型硅----即a-硅(Amorphous-硅)的tft的研究。1980年Janata利用FET选择性地检测苄青霉素。

1982年，聚乙炔作为半导体材料被引入MOSFET场效应晶体管器件中。1986年报道的基于聚盼半导体材料的场效应晶体管，是最早有明显引出电流的OFET。随后，1988年报道的以可溶性聚噻盼通过溶液方法制备的OFET，向人们展示了基于有机材料的场效应晶体管的廉价制备优势。继而小分子及共轭齐聚物的OFET也被成功地研制出来。1990年，科学家报道了几乎全部由有机材料组成的OFET，其中唯一使用无机化合物材料的是电极。

在1994年，Kawarada等使用CVD生长的H终端金刚石衬底（100），通过空气暴露转移掺杂实现导电性，结合Al栅极的肖特基栅、Au源漏极的欧姆接触，首次实现了H终端金刚石三端增强型FET的制备。在 2008 年，Yang 等人展示了一种与 CMOS 技术高度兼容的垂直全栅场效应晶体管（GAAFET）制造工艺。2009年，Liao等首先使用Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3(PZT）铁电材料作栅，Al2O3作为绝缘层，掺硼单晶金刚石半导体制备了FET。在 2011 年，Radisavljevic 等人使用机械剥离获取单层二硫化钼，并以此作为沟道材料制成双栅极的场效应晶体管。2015年，Zheng等人在传统鳍状场效应管（FinFET）的基础上构造了一种新型垂直 MOSFET 结构，命名为 iFinFET。

2016年，Kawae等使用偏氟乙烯（VDF）-三乙烯（Tr FE）共聚物铁电材料作为栅极，制备了H终端金刚石FET。Li 等人于 2017 年展示了一种具有异质栅氧化物的 U 形沟道 TFET，称为 U-TFET。在 2018 年，Winkler 等人在 3D 芯片集成技术的基础上，展示了一种基于硅通孔（TSV）的垂直 MOSFET（TSVFET）。

2019年，Kwong等采用化学气相沉积法制作了一种GO-FET生物传感器件。同年，Kilpi 等人在纳米线的基础上通过引入 InAs/InGaAs 的异质结构以代替纯硅从而进一步提高基于纳米线的垂直 MOSFET 的电学性能。

2022年通过铁电栅极绝缘体和原子层沉积氧化物半导体通道，日本科学家制造了三维垂直场效应晶体管，可用来生产高密度数据存储器件。

场效应管的工作原理就是漏极—源极间流经沟道的ID，用于栅极与沟道间的PN结形成的反偏栅极电压控制。更正确地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积，由PN结反偏的变化和产生耗尽层扩展的变化而进行控制。在VGs=0的非饱和区域，由于过渡层的扩展不太大，根据漏极—源极间所加VDs的电场情况，源极区域的某些电子将被漏极拉去，即从漏极到源极有电流ID流过。从栅极向漏极扩展的过渡层将沟道的一部分构成堵塞型，此时ID饱和，这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。

由于在过渡层没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难以流动。此时漏极—源极间的电场，实际上位于两个过渡层接触的漏极与栅极下部附近，漂移电场将拉动高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变，于是产生ID的饱和现象。其次，VGs向负的方向变化，让VGs=VGs（off），此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDs的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只在靠近源极的很短部分，才使得电流不能流通。

场效应晶体管的基本构造普遍包含三个部分，即源极、漏极和栅极。

栅极上自组装的敏感膜是组成传感器最关键的元件，敏感膜会与溶液中的待测物质发生特定的化学或物理吸附从而产生相应的平衡电势，利用万用电表或电位计等仪器便可测量其体系的电位值。

在N（P）型硅基片两侧各作一个高浓度的P（N）型区，形成两个PN结并联在一起，引出电极称为栅极G，两端引出两条极线，分别为源极S和漏极D。中间部分称为N（P）沟道—导电沟道，耗尽层为N型半导体的称为N沟道；耗尽层为P型半导体的称为P沟道。

N沟道增强型MOS管是以一块掺杂浓度较低的P型硅材料作为衬底，在它的表面两端分别制成两个高掺杂浓度的N+区，然后在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，并在二氧化硅的表面及两N+型区的表面分别安置3个铝电极——栅极G、源极S、漏极D，就成了N沟道MOS管。通常将衬底B与源极S接在一起使用。

N沟道耗尽型MOS管的结构与N沟道增强型MOS管的结构相似。N沟道增强型MOS管在uGs=0时没有导电沟道，只有当uGs增大到UTH时，才形成导电沟道。而N沟道耗尽型MOS管在UGs=0时就存在原始导电沟道，它的导电沟道是在制造工艺过程中形成的。通常在SiO2绝缘层形成过程中，掺人一些金属阳离子，由于正离子的作用，产生了一个垂直于P型衬底的纵向电场，使漏、源之间的P型衬底表面上感应出较多的电子，形成N型反型层原始导电沟道。

标准感应n沟道场效应晶体管工艺将前面讲过的结型器件的三道基本工序稍作顺序上的变动即可很容易地用于制备标准感应n沟道场效应晶体管，其工序归纳如下：

（1）扩散工序：提供源、漏的扩散掩膜，然后进行n*的扩散。

（2）绝缘体制备工序一。将裸露的源、漏用厚绝缘层进行钝化，然后再给栅极开窗孔。

（3）绝缘体制备工序二。制备栅极的薄氧化绝缘层，接着还需要退火工序并开出源、漏的窗孔。

（4）导体制备工序：对源、漏的窗孔以及整个表面进行金属化，然后进行腐蚀（开窗孔）做出相互连线。

石墨烯作为最早被研究得二维层状材料，其场效应晶体管得到了广泛其深入得研究。二硫化钼（MoS2）是最早被研究报道的二维层状半导体材料，第一个基于MoS2的MOSFET器件结构如图 。化钨（WSe2）的出现为基于二维层状半导体材料的p型MOSFET提供了可能的平台。

当有机半导体材料被应用于电学器件时,根据其载流子传输类型可分为三类:第一类以正电荷(自由空穴)为主要载流子p-型半导体材料,其分子的电子电离能(ionization 能量)接近于金属的费米能级,使空穴能够从费米能级有效地注入到材料的最高已占轨道(HOMO)能级。第二类以负电荷(自由电子)为主要载流子n-型半导体材料,其分子的电子亲和能(electronic affinity)接近于金属的费米能级,电子能够从费米能级有效地注入到材料的最低未占轨道(LUMO)能级。第三类是既可以传输空穴又可以传输电子的双极性(ambipolar)有机半导体材料。

场效应管主要有两种类型：结型场效应管（JunctionFET，JFET）和金属-氧化物半导体场效应管（Metal-OxideSemiconductorFET，MOSFET），又称绝缘栅型场效应管或MOS场效应管。绝缘栅型场效应管又分为N沟道耗尽型、N沟道增强型以及P沟道耗尽型、P沟道增强型四大类。

按照沟道材料型和绝缘栅型，可分为N沟道和P沟道两种；按照导电方式，可分为耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型又有增强型。当栅压为零时，有较大漏极电流的场效应管称为耗尽型场效应管；当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压才有漏极电流的场效应管称为增强型场效应管。

结型场效应管有两种结构形式，分别是N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。结型场效应管具有三个电极：栅极、漏极、源极。电路符号中栅极的箭头可理解为两个PN结的正向导电方向。

以N沟道结型场效应管为例，结型场效应管的工作原理是：由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN结基本不导电，形成所谓的耗尽区。当漏极电源电压一定时，如果栅极负偏压绝对值越大，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就越小；反之，如果栅极负偏压绝对值较小，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压可以控制漏极电流的变化。

绝缘栅型场效应管有两种结构形式，分别是N沟道型MOS场效应管和P沟道型MOS场效应管。无论是哪种类型，又分为增强型和耗尽型两种。

以N沟道增强型MOS场效应管为例，绝缘栅型场效应管的工作原理是：利用VGS来控制感应电荷，通过改变由这些感应电荷形成的导电沟道的状况，达到控制漏极电流的目的。在制造MOS场效应管时，通过特定工艺使绝缘层中出现大量正离子，可以在交界面的另一侧感应出较多的负电荷，这些负电荷把高浓度掺杂的N区接通，形成了导电沟道，这样即使在VGs=0时也有较大的漏极电流。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量发生改变，导电沟道的宽窄随之发生变化，因此，漏极电流随着栅极电压的变化而变化。

（1）开启电压UGs（th）：开启电压是MOS增强型管的参数，若栅源电压Ucs小于开启电压的绝对值，则场效应管不能导通。

（2）夹断电压UGs（off）：夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGs=UGS（off）时，漏极电流为零。

（3）饱和漏极电流IDss：IDss是耗尽型场效应管的参数，当UGs=0时所对应的漏极电流。

（4）直流输入电阻RGs（DC）：场效应管的栅源输入电阻。对于结型管，反偏时RGS约大于107Ω；对于绝缘栅型管，RGs为109～1015Ω。

（1）低频跨导gm：低频跨导反映了栅压UGs对漏极电流iD的控制作用，gm是表征场效应管放大能力的重要参数，类似于双极性三极管的β。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS（毫西门子）。它的大小与管子的工作点位置有关。

（2）级间电容：场效应管的3个电极间均存在极间电容。通常CGs和CGD为1～3pF，而CDs为0.1～1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。

（1）最大漏极电流IDM：场效应管正常工作时漏极电流的上限值，相当于双极型晶体管的ICM。

（2）栅—源击穿电压U(BR）GS：栅、源间所能承受的最大电压。对于结型管是指栅极与沟道间的PN结的反向击穿电压，对于绝缘栅型管是指二氧化硅绝缘层击穿时

（3）漏一源击穿电压U（BR）DS：场效应管进入恒流区后，使iD骤然增大的ups值称为漏一源击穿电压，uDs超过此值会使管子烧坏。

（4）最大耗散功率PDM：可由PDM=UDsID决定，与三极管的PCM相当。

（1）场效应管是电压控制电流型器件，它通过栅源电压ucs来控制漏极电流ip。

（2）场效应管的输人电阻很高（107～1012Ω），因此它的输入端电流极小，可以认为ic=0。

（3）场效应管中只有多数载流子参与导电，少子不参与导电，因此它的温度稳定性较好。

（4）场效应管组成的放大电路的电压放大倍数要小于三极管组成的放大电路的电压放大倍数。

（5）场效应管的抗辐射能力强。

（6）场效应管噪声小。

（1）引脚识别。场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于“R×1k”挡，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。若某两个管脚间的正、反向电阻相等，且均为数千欧，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极，使用中接地。

（2）判定栅极。用万用表黑表笔触碰管子的一个电极，红表笔分别触碰另外两个电极。如果两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，则该管属于N沟道场效应管，此时黑表笔接的是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。（注意：不能用此方法判定绝缘栅型场效应管的栅极，因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易损坏管子。）

（3）放大能力的估测。将万用表拨到“R×100”挡，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压，这时表针指示的是D-S极间电阻值。然后用手指捏住栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上，由于管子的放大作用，UDs和都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生了变化，此时可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动幅度很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。

由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻挡测量时的工作点可能不同，因此，用手捏住栅极时，表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数管子的RDs减小，使表针向右摆动，多数管子的RDs增大，使表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显的摆动，就说明管子具有放大能力。

本方法也适用于检测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具的绝缘柄，用金属杆去触碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上损坏管子。MOS管每次测量完毕，-S结电容上都会充有少量电荷，建立起电压UGs，再接着测试时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。

（1）准备工作。测量之前，把人体对地短路，之后才能摸触MOS-FET的引脚。最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位，再把管脚分开，然后拆掉导线。

（2）判定电极。将万用表拨到“R×100”挡，首先确定栅极。若某脚与其他脚间的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。交换两表笔重新测量，-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。

（3）检查放大能力（跨导）。将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1和G2。为了进行区分，可用手分别触摸G1和G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。有的MOS-FET管，在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各引脚短路了。

（1）判定栅极G。将万用表拨至“R×1k”挡，分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其余两脚之间的电阻均呈无穷大，且交换两表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚间是绝缘的。

（2）判定源极S和漏极D。在源、漏极之间有一个PN结，因此根据PN结的正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测2次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极。

（3）测量漏极和源极通态电阻RDs（on）。将G-S极短路，选择万用表的“R×1”挡，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。由于测试条件不同，测出的RDs（on）值比手册中给出的典型值要高一些。

（4）检查跨导。将万用表置于“R×1k(或R×100）”挡，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺钉旋具的绝缘柄去触碰栅极，表针应有明显偏转，偏转越大，说明管子的跨导越高。

（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源获取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源获取较多电流的条件下，应选用晶体管。

（2）场效应管是利用多数载流子导电的，所以称为单极型器件，而晶体管是既利用多数载流子导电，也利用少数载流子导电，所以被称为双极型器件。

（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，它的灵活性比晶体管好。

（4）场效应管能在电流很小和电压很低的条件下工作，且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

（1）高阻抗／低电流电路。用在缓冲器中或晶体管基极电流与有限输入阻抗限制其性能的放大器中。在电路的实现上，虽然可用分立FET，但实际倾向于使用由FET构成的集成电路。在一些晶体管电路设计中，则可用FET代替晶体管，用作高阻抗的输入前端，而其他电路则全部使用FET。

（2）模拟开关。MOSFET是极好的压控模拟开关。同样地，一般使用专门的“模拟开关集成电路，而不必用分立器件来搭建电路。

（3）数字电路。MOSFET垄断了微处理器、存储器以及众多高性能数字逻辑电路。它们还专门用在微功率逻辑电路中。同样，MOSFET也以集成电路的形式出现。

（4）功率转换。在负载转换方面，MOSFET功放管比普通功放晶体管更好。但应使用分立FET功放管来实现功率转换功能。

（5）可变电阻和电流源。在漏极电流曲线的线性区，FET的特性表现类似压控电阻；而在“饱和”区，可将它看成是压控电流源。可在电路设计中充分利用FET的这一特性。

（6）晶体管的一般替代品。FET可用在振荡器、放大器、稳压器以及射频电路中，在这些电路中也通常用到晶体管。FET并不能总保证电路性能更优异，其有时会更好，有时则不行。

场效应晶体管的发展方向之一就是传统器件的微型化，制备小尺度空间的器件，比如纳米级尺寸的场效应晶体管。通过缩小几何尺寸就可以在给定直径的晶圆上得到更多的电路去降低每个器件和每个电路的制造成本。寻找新的器件拓扑结构，提高栅极电压对沟道电流的影响，降低器件的短沟道效应。一些新型的材料如石墨，石墨材料的价键带和导电带之间的重叠极其小，实际上是一层碳，每个原子核位于六边形的顶点，通过共价键牢固连接在 3 个相邻原子核，因此就形成了一个平面网格，像个铁丝网。另外可以在器件的结构上进行改进，由传统的横向结构向垂直结构进行改进。