《電子技術(shù)應(yīng)用》
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增強(qiáng)型和耗盡型場效應(yīng)晶體管

2016-08-17
關(guān)鍵詞: ADI FPGA DSP

總的來說,場效應(yīng)晶體管可區(qū)分為耗盡型和增強(qiáng)型兩種,。耗盡型場效應(yīng)晶體管(D-FET)就是在0柵偏壓時存在溝道,、能夠?qū)щ姷腇ET;增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管(E-FET)就是在0柵偏壓時不存在溝道、不能夠?qū)щ姷腇ET,。

  這兩種類型的FET各有其特點(diǎn)和用途,。一般,,增強(qiáng)型FET在高速,、低功耗電路中很有使用價值;并且這種器件在工作時,它的柵偏電壓的極性與漏極電壓的相同,,則在電路設(shè)計中較為方便,。

  (1)MOSFET:

  對于Si半導(dǎo)體器件,由于Si/SiO2界面上電荷(多半是正電荷——Na+沾污所致)的影響,,使得n型半導(dǎo)體表面容易產(chǎn)生積累層,,而p型半導(dǎo)體表面容易反型(即出現(xiàn)表面反型層),所以比較容易制造出p溝道的增強(qiáng)型MOSFET(E-MOSFET),,而較難以制作出n溝道的E-MOSFET,。正因為如此,故在早期工藝水平條件下,,常常制作的是p溝道的E-MOSFET,。

  當(dāng)然,隨著工藝技術(shù)水平的提高,,現(xiàn)在已經(jīng)能夠很好地控制半導(dǎo)體的表面態(tài)以及表面電荷,,從而就能夠方便地制作出n溝道,、或者p溝道的D-MOSFET或者E-MOSFET,以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要,。

  MOSFET的導(dǎo)電是依靠表面溝道來進(jìn)行的,,而在0柵偏壓下能否產(chǎn)生溝道,則與半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度直接有關(guān),。若采用較低摻雜濃度的襯底,,就可以獲得D-MOSFET;采用較高摻雜濃度的襯底,就可以獲得E-MOSFET,。

  (2)JFET:

  對于結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET),,最常見到的是耗盡型JFET(D-JFET);一般,不使用增強(qiáng)型JFET(E-JFET),。這主要是由于長溝道E-JFET在使用時較難以產(chǎn)生出導(dǎo)電的溝道,、從而導(dǎo)通性能不好的緣故。不過,,由于高速,、低功耗電路中應(yīng)用的需要,有時也需要采用E-JFET,。

  JFET導(dǎo)電的溝道在體內(nèi),。這兩種晶體管在工藝和結(jié)構(gòu)上的差別主要在于其溝道區(qū)的摻雜濃度和厚度。D-JFET的溝道的摻雜濃度較高,、厚度較大,,以致于柵pn結(jié)的內(nèi)建電壓不能把溝道完全耗盡;而E-JFET的溝道的摻雜濃度較低、厚度較小,,則柵pn結(jié)的內(nèi)建電壓即可把溝道完全耗盡,。

  但是,對于短溝道E-JFET,,情況則有所不同,,因為這種晶體管的漏極電壓可以作用到源極附近,使得溝道中的勢壘降低,,所以能夠形成導(dǎo)電溝道,。這種E-JFET從本質(zhì)上來說也就是靜電感應(yīng)晶體管。

(3)MESFET:

  金屬柵極半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)是通過柵極Schottky勢壘下面耗盡層厚度的變化來控制導(dǎo)電溝道寬度,、并從而控制輸出源-漏電流的,。

  MESFET的導(dǎo)電溝道是金屬柵極下面的未被耗盡的半導(dǎo)體層——溝道層。如果溝道層的摻雜濃度較高,、厚度較大,,則在0柵偏壓下,柵極Schottky勢壘的內(nèi)建電壓不足以耗盡整個溝道層,,即存在溝道,,這就是耗盡型MESFET(D-MESFET);相反,,如果溝道層的摻雜濃度較低、厚度較薄,,則在0柵偏壓下,,柵極Schottky勢壘的內(nèi)建電壓就可以耗盡整個溝道層,即不存在溝道,,這就是增強(qiáng)型MESFET(E-MESFET),。

  (4)HEMT:

  高電子遷移率晶體管(HEMT)是利用調(diào)制摻雜突變異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣(2-DEG)——高遷移率的二維電子來工作的,導(dǎo)電溝道也就是2-DEG薄層,??刂?-DEG的濃度(面密度),即可控制輸出源-漏電流的大小,。在0柵偏壓下,,有否2-DEG,也就是耗盡型與增強(qiáng)型器件的根本區(qū)別,。

  在HEMT中,,2-DEG出現(xiàn)在突變的調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)中,寬禁帶半導(dǎo)體一邊摻有施主雜質(zhì),,窄禁帶半導(dǎo)體一邊不摻雜(即為本征半導(dǎo)體),。對于GaAs體系的HEMT,寬禁帶半導(dǎo)體是n型AlGaAs,,窄禁帶半導(dǎo)體是i-GaAs;金屬柵極的下面就是n型AlGaAs層——稱為頂層,,它們形成Schottky勢壘(勢壘高度一般為1eV左右)。如果n型AlGaAs頂層的摻雜濃度適當(dāng)高,、厚度適當(dāng)大,,則在0柵偏壓下就會出現(xiàn)2-DEG,因此是耗盡型FET,。但是,,如果n型AlGaAs頂層的摻雜濃度較低,、厚度較薄,,則在Schottky勢壘的內(nèi)建電壓作用下即將耗盡2-DEG,即Schottky勢壘可伸入到i-GaAs層,,則HEMT在0柵偏壓下不會導(dǎo)電,,因此是增強(qiáng)型FET??傊?,對于HEMT,主要是控制摻雜寬禁帶半導(dǎo)體層的摻雜濃度和厚度,。

  但是,,如果HEMT所采用的調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)是極性很大的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),,那么情況將有所不同。譬如n+-Al異質(zhì)結(jié),,由于其中的高遷移率2-DEG主要是由極化效應(yīng)中產(chǎn)生出來的,,因此,有時在Al控制層中即使不摻雜,,也能夠得到大量的2-DEG(可高達(dá)10-2),,這時的2-DEG面密度將主要決定于極化效應(yīng)的強(qiáng)度。


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