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场效应晶体管

[拼音]:changxiaoying jingtiguan

[外文]:field effect transistor

利用场效应原理工作的晶体管,简称FET。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小,以控制半导体导电层(沟道)中的多数载流子的密度或类型。这种晶体管的工作原理与双极型晶体管不同,它是由电压调制沟道中的电流,其工作电流是由半导体中的多数载流子输运,少数载流子实际上没有作用。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极晶体管。

1925~1926年美国的J.E.里林菲德提出静电场对导电固体中电流影响的基本概念。1933年O.海尔提出薄膜FET 器件的结构模型,在实验中观察到“场效应”现象,但当时由于工艺水平所限,没有做成实用器件。1952年以后,W.B.肖克莱提出结型场效应管(JFET)的基本理论。一年以后制成JFET。60年代初发展了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)。1966年美国的C.米德提出了肖特基势垒栅场效应管(MESFET)。

与双极型晶体管相比,FET的特点是输入阻抗高,噪声小,极限频率高,功耗小,温度性能好,抗辐照能力强,多功能,制造工艺简单等。由于电荷存储效应小、反向恢复时间短,故开关速度快,工作频率高。器件特性基本呈线性或平方律,故互调和交调乘积远比双极型晶体管为小。FET已广泛用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。FET是MOS大规模集成电路和MESFET超高速集成电路的基础器件。

结型场效应晶体管

JFET(图1a)有两个栅PN结,N型沟道(或P型沟道)夹在两个栅PN结的空间电荷层之间,沟道两端加上欧姆接触,称源极和漏极。在漏极加正偏压,则有电子从源极流向漏极。在栅PN结上加负偏压时,空间电荷区宽度和沟道厚度随之变化,从而沟道电阻、沟道电流(或称漏电流)也发生变化。JFET的电流-电压特性曲线(图1b)分为三个区:线性区、饱和区和击穿区。在一定的负栅偏压下,在漏极上加小的正向电压时,电随流漏压直线上升。由于沟道具有一定的体电阻,电流沿沟道产生电压降,电位从源端向漏端逐渐升高,漏栅间的反向偏压增大,空间电荷区展宽,沟道变窄,电阻增大,故电流增大的速度减慢,电流曲线弯曲,然后达到饱和,曲线接近水平。漏电压继续增大,栅PN结发生击穿。在击穿区,漏电压稍许增加,漏电流即急剧上升,曲线近似垂直。

JFET可用作放大器,在低频下噪声很低,常用于海底通信、红外接收等低频低噪声电子设备中。

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

其结构见图2。在P型半导体上有两个重掺杂的N+区,其上有两个欧姆接触电极,分别称为源极和漏极。源-漏之间覆盖一层很薄绝缘膜(如二氧化硅或多晶硅等),膜上淀积金属形成栅极。栅极无外加电压时,源漏之间不通导。栅极上外加一相当大的电压时(源接地),栅极下面的P型半导体表面上出现N型反型层,成为导电沟道。改变栅压,可以改变沟道的宽度和电子密度,电流随之改变。沟道电流与漏电压的特性曲线和JFET的相似。MOSFET在零栅压下不导通;在正栅压下才出现导电的N型沟道,这种MOSFET称为N沟道增强型场效应管。反之,如果P型衬底表面不加栅压时已有N型沟道存在,外加栅压可使沟道电阻增大或变小,此种MOSFET称为N沟道耗尽型场效应管。同理,如果衬底是N型半导体,也可构成增强型和耗尽型两种MOSFET。

MOSFET结构简单,具有很高的输入阻抗,在电路中适于直接耦合,广泛应用于集成电路和大规模集成电路。

肖特基势垒栅场效应晶体管

金属与半导体表面接触具有类似PN结的整流作用,这种接触称为肖特基势垒,利用肖特基结界面场效应现象制造的晶体管称为肖特基势垒栅场效应管(图3)。MESFET多采用电阻率大于 107~108欧・厘米的半绝缘砷化镓作衬底,于其上用外延或离子注入法形成一个N型薄层作为沟道,在沟道的上表面用蒸发、溅射、光刻等方法做上源、栅、漏三个电极。肖特基势垒和PN结相似,具有空间电荷区,其厚度随外加偏压变化,从而控制沟道电流。其特性曲线与JFET类似。

砷化镓MESFET的特点是跨导大、极限工作频率高、噪声低。它是能够工作在厘米、毫米波段的性能优良的三端器件。其频率高、噪声低,性能远远优于硅双极晶体管。砷化镓微波低噪声MESFET工作频率已达60吉赫;工作频率为1~18吉赫时,噪声系数为0.5~3分贝。微波功率MESFET的振荡频率可达100吉赫以上,频率-功率乘积可达100吉赫・瓦。

砷化镓MESFET是微波单元集成电路和单片超高速集成电路的基础,尤其是镓铝砷/砷化镓(GaAlAs/GaAs)异质结MESFET,具有更高的迁移率、更好的微波和高速性能,称为高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)。在12吉赫下,噪声系数仅为0.35分贝。

如果在源漏之间做两个栅极,则称双栅MESFET。其特点是:

(1)第二栅可起屏蔽作用,能提高隔离度,减小反馈,提高器件稳定性。

(2)双栅MESFET相当于两个单栅器件级联,故具有可控高增益。

(3)两个栅可独立地控制漏电流、跨导和增益,故双栅MESFET具有放大、振荡、混频、开关、限幅、移相等多种功能。

砷化镓单栅和双栅MESFET多用于微波通信、卫星通信、航天、雷达、无线电导航、电子对抗、遥测遥控等微波电子装置。

此外,还有隐栅和V型槽场效应晶体管等。隐栅管发展为静电感应场效应晶体管(SIT)。两种器件共同的特点是:跨导大,特性曲线与电子管的相类似,呈非饱和型,无二次击穿,线性输出功率大,负温特性、热性能好。它们是兼有电子管和双极晶体管二者优点的大功率管。静电感应场效应晶体管适用于音频大功率放大和短波电台线性功率输出。 V型槽场效应晶体管宜用作功率开关管,兼有速度快、功率大的优点。

参考文章

  • 场效应晶体管与晶体管有何不同?测控技术

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