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《日科干货》增强型和耗尽型场效应晶体管的区别

日期: 2018-06-21
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总的来说,场效应晶体管可区分为耗尽型和增强型两种。耗尽型场效应晶体管(D-FET)就是在0栅偏压时存在沟道、能够导电的FET;增强型场效应晶体管(E-FET)就是在0栅偏压时不存在沟道、不能够导电的FET。

  这两种类型的FET各有其特点和用途。一般,增强型FET在高速、低功耗电路中很有使用价值;并且这种器件在工作时,它的栅偏电压的极性与漏极电压的相同,则在电路设计中较为方便。

  (1)MOSFET:

  对于Si半导体器件,由于Si/SiO2界面上电荷(多半是正电荷——Na+沾污所致)的影响,使得n型半导体表面容易产生积累层,而p型半导体表面容易反型(即出现表面反型层),所以比较容易制造出p沟道的增强型MOSFET(E-MOSFET),而较难以制作出n沟道的E-MOSFET。正因为如此,故在早期工艺水平条件下,常常制作的是p沟道的E-MOSFET。

  当然,随着工艺技术水平的提高,现在已经能够很好地控制半导体的表面态以及表面电荷,从而就能够方便地制作出n沟道、或者p沟道的D-MOSFET或者E-MOSFET,以适应各种应用的需要。

  MOSFET的导电是依靠表面沟道来进行的,而在0栅偏压下能否产生沟道,则与半导体衬底的掺杂浓度直接有关。若采用较低掺杂浓度的衬底,就可以获得D-MOSFET;采用较高掺杂浓度的衬底,就可以获得E-MOSFET。

  (2)JFET:

  对于结型场效应晶体管(JFET),最常见到的是耗尽型JFET(D-JFET);一般,不使用增强型JFET(E-JFET)。这主要是由于长沟道E-JFET在使用时较难以产生出导电的沟道、从而导通性能不好的缘故。不过,由于高速、低功耗电路中应用的需要,有时也需要采用E-JFET。

  JFET导电的沟道在体内。这两种晶体管在工艺和结构上的差别主要在于其沟道区的掺杂浓度和厚度。D-JFET的沟道的掺杂浓度较高、厚度较大,以致于栅pn结的内建电压不能把沟道完全耗尽;而E-JFET的沟道的掺杂浓度较低、厚度较小,则栅pn结的内建电压即可把沟道完全耗尽。

  但是,对于短沟道E-JFET,情况则有所不同,因为这种晶体管的漏极电压可以作用到源极附近,使得沟道中的势垒降低,所以能够形成导电沟道。这种E-JFET从本质上来说也就是静电感应晶体管。

(3)MESFET:

  金属栅极半导体场效应晶体管(MESFET)是通过栅极Schottky势垒下面耗尽层厚度的变化来控制导电沟道宽度、并从而控制输出源-漏电流的。

  MESFET的导电沟道是金属栅极下面的未被耗尽的半导体层——沟道层。如果沟道层的掺杂浓度较高、厚度较大,则在0栅偏压下,栅极Schottky势垒的内建电压不足以耗尽整个沟道层,即存在沟道,这就是耗尽型MESFET(D-MESFET);相反,如果沟道层的掺杂浓度较低、厚度较薄,则在0栅偏压下,栅极Schottky势垒的内建电压就可以耗尽整个沟道层,即不存在沟道,这就是增强型MESFET(E-MESFET)。

  (4)HEMT:

  高电子迁移率晶体管(HEMT)是利用调制掺杂突变异质结中的二维电子气(2-DEG)——高迁移率的二维电子来工作的,导电沟道也就是2-DEG薄层。控制2-DEG的浓度(面密度),即可控制输出源-漏电流的大小。在0栅偏压下,有否2-DEG,也就是耗尽型与增强型器件的根本区别。

  在HEMT中,2-DEG出现在突变的调制掺杂异质结中,宽禁带半导体一边掺有施主杂质,窄禁带半导体一边不掺杂(即为本征半导体)。对于GaAs体系的HEMT,宽禁带半导体是n型AlGaAs,窄禁带半导体是i-GaAs;金属栅极的下面就是n型AlGaAs层——称为顶层,它们形成Schottky势垒(势垒高度一般为1eV左右)。如果n型AlGaAs顶层的掺杂浓度适当高、厚度适当大,则在0栅偏压下就会出现2-DEG,因此是耗尽型FET。但是,如果n型AlGaAs顶层的掺杂浓度较低、厚度较薄,则在Schottky势垒的内建电压作用下即将耗尽2-DEG,即Schottky势垒可伸入到i-GaAs层,则HEMT在0栅偏压下不会导电,因此是增强型FET。总之,对于HEMT,主要是控制掺杂宽禁带半导体层的掺杂浓度和厚度。

  但是,如果HEMT所采用的调制掺杂异质结是极性很大的半导体异质结,那么情况将有所不同。譬如n+-Al异质结,由于其中的高迁移率2-DEG主要是由极化效应中产生出来的,因此,有时在Al控制层中即使不掺杂,也能够得到大量的2-DEG(可高达10-2),这时的2-DEG面密度将主要决定于极化效应的强度。


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