靜電感應(yīng)晶體管

靜電感應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)分析

SIT是一種電壓控制器件。在零柵壓或很小的負(fù)柵壓時(shí)，溝道區(qū)已全部耗盡，呈夾斷狀態(tài)，靠近源極一側(cè)的溝道中出現(xiàn)呈馬鞍形分布的勢(shì)壘，由源極流向漏極的電流完全受此勢(shì)壘的控制。在漏極上加一定的電壓后，勢(shì)壘下降，源漏電流開(kāi)始流動(dòng)。漏壓越高,越大,亦即 SIT的源漏極之間是靠漏電壓的靜電感應(yīng)保持其電連接的,因此稱為靜電感應(yīng)晶體管。SIT和一般場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是:①SIT溝道區(qū)摻雜濃度低，為1012~1015厘米-3,FET則為1015~1017厘米-3;②SIT具有短溝道，在輸出特性上，前者為非飽和型三極管特性，后者為飽和型五極管特性。

靜電感應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)形式主要有三種結(jié)構(gòu)形式:

埋柵結(jié)構(gòu)是典型結(jié)構(gòu)(圖2)，適用于低頻大功率器件;

表面電極結(jié)構(gòu)適用于高頻和微波功率SIT;

介質(zhì)覆蓋柵結(jié)構(gòu)是中國(guó)研制成功的，這種結(jié)構(gòu)既適用于低頻大功率器件，也適用于高頻和微波功率器件，其特點(diǎn)是工藝難度小、成品率高、成本低、適于大量生產(chǎn)。中國(guó)已研制出具有這種結(jié)構(gòu)的 SIT器件有:400兆赫，1~40瓦;1000兆赫,1~12瓦及1500兆赫，6瓦的SIT器件。另外，還制出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪聲系數(shù)小于3分貝的功率低噪聲SIT。

靜電感應(yīng)晶體管SIT(Static Induction Transistor)誕生于1970年，實(shí)際上是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過(guò)電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合，目前已在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。

但是SIT在柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

源漏電流受柵極上的外加垂直電場(chǎng)控制的垂直溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱SIT。靜電感應(yīng)晶體管是一種新型器件，可用于高保真度的音響設(shè)備、電源、電機(jī)控制、通信機(jī)、電視差轉(zhuǎn)機(jī)以及雷達(dá)、導(dǎo)航和各種電子儀器中。

1952年日本的渡邊、西澤等人提出模擬晶體管的模型，1971年9月日本西澤潤(rùn)一發(fā)表SIT的研究結(jié)果。在70年代中期，它作為音頻功率放大器件在日本國(guó)內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，先后制出最高截止頻率10兆赫、輸出功率1千瓦和30兆赫、輸出功率達(dá)2千瓦的靜電感應(yīng)晶體管。1974年之后，高頻和微波功率靜電感應(yīng)晶體管有較大發(fā)展。已出現(xiàn)1吉赫下輸出功率100瓦的內(nèi)匹配合成器件和2吉赫下輸出 10瓦左右的器件。靜電感應(yīng)型硅可控整流器已做到導(dǎo)通電流30安(壓降為0.9伏)，開(kāi)關(guān)時(shí)間為110納秒。另外，已研制出 MOS型SIT和SIT低功耗、高速集成電路，其邏輯門的功率-延遲積的理論值可達(dá)1×10-15焦以下。 SIT具有非飽和型電流電壓輸出特性,它和三極電子管的輸出特性相類似(圖1)。

和雙極型晶體管相比，SIT具有以下的優(yōu)點(diǎn):

①線性好、噪聲小。用SIT制成的功率放大器,在音質(zhì)、音色等方面均優(yōu)于雙極型晶體管。

②輸入阻抗高、輸出阻抗低，可直接構(gòu)成OTL電路。

③SIT是一種無(wú)基區(qū)晶體管，沒(méi)有基區(qū)少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度快。

④它是一種多子器件，在大電流下具有負(fù)溫度系數(shù)，器件本身有溫度自平衡作用，抗燒毀能力強(qiáng)。

⑤無(wú)二次擊穿效應(yīng)，可靠性高。

⑥低溫性能好，在-19℃下工作正常。

⑦抗輻照能力比雙極晶體管高50倍以上。

SIT是介于雙極型功率晶體管(GTR)與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(功率MOSFET)之間的器件(性能方面更接近后者)，其開(kāi)關(guān)頻率可在1MHz以上(可達(dá)100MHz)，80年代中期其容量已有10A/800V，和功率MOSFET差不多，適用于數(shù)千瓦以下的電力電子裝置上。

雖然SIT的概念早在1950年就被提出，功率SIT器件直至 70年代末方出現(xiàn)。SIT的工作電流密度要大于功率MOSFET，且其制造工藝也比后者容易，因而是一種很有前途的器件，有希望發(fā)展成100A/1000V級(jí)的大容量高頻器件。

另外，若將圖2中的SIT漏極的n型高摻雜半導(dǎo)體換成p型半導(dǎo)體,則器件變成靜電感應(yīng)晶閘管(又稱場(chǎng)控晶閘管)，簡(jiǎn)稱SITH。它的工作電流密度及容量遠(yuǎn)比SIT高，可達(dá)門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)的水平,其開(kāi)關(guān)性能(尤其是開(kāi)通速度)則優(yōu)于GTO，是80年代出現(xiàn)的性能最優(yōu)的大容量電力電子器件之一。

一種短溝道的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。簡(jiǎn)稱 SIT。為區(qū)別起見(jiàn)， 一般不把它歸入功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管類。SIT通常采用 n溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)。圖1為這種SIT的符號(hào)，G、D、S分別代表柵極、漏極和源極。 SIT有平面型、埋溝型等幾種。圖2為平面型SIT的部分剖面結(jié)構(gòu)。該器件源極的n型半導(dǎo)體被柵極的p型半導(dǎo)體所圍，漏極電流IDS必須通過(guò)這一窄小的溝道。在柵極與源極間加大負(fù)電壓VGS時(shí),會(huì)使上述溝道變窄以至消失，結(jié)果便在原溝道位置形成了一個(gè)阻止電子通過(guò)的位壘。漏極電壓VDS對(duì)這一位壘也有影響，但作用遠(yuǎn)不如柵極明顯。改變柵極的電壓，便可控制流過(guò)源極和漏極間的電流。圖3是該器件的輸出特性，反映了柵極的控制作用和一定柵極電壓下漏極電流與電壓的關(guān)系。從圖3中可以看到，為截止漏極電流，需要柵極電壓有足夠的負(fù)值，較高的漏極電壓需要有更大負(fù)值的柵極電壓;一旦SIT導(dǎo)通，漏極和源極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻。

通常簡(jiǎn)稱功率晶體管。 其中大容量型又稱巨型晶體管，簡(jiǎn)稱GTR。功率晶體管一般為功率集成器件，內(nèi)含數(shù)十至數(shù)百個(gè)晶體管單元。圖1是功率晶體管的符號(hào)，其上e、b、c分別代表發(fā)射極、基極和集電極。按半導(dǎo)體的類型，器件被分成NPN型和PNP型兩種，硅功率晶體管多為前者。