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增強(qiáng)型和耗盡型場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)和用途

發(fā)布時(shí)間:2012-02-07
增強(qiáng)型和耗盡型場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)和用途

 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(shí)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(shí)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(jià)值;并且這種器件在工作時(shí),它的柵偏電壓的極性與漏極電壓的相同,則在電路設(shè)計(jì)中較為方便。

  (1)MOSFET:

  對(duì)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?yàn)槿绱耍试谠缙诠に囁綏l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(duì)于結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET),*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(shí)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(shí)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(duì)于短溝道E-JFET,情況則有所不同,因?yàn)檫@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(gè)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(gè)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。控制2-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(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)電,因此是增強(qiáng)型FET。總之,對(duì)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(shí)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(shí)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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