靜電感應晶體管

靜電感應晶體管SIT(Static Induction Transistor)誕生於1970年，實際上是一種結型場效應晶體管。將用於信息處理的小功率SIT器件的橫嚮導電結構改為垂直導電結構，即可製成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用於高頻大功率場合，目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈衝功率放大和高頻感應加熱等某些專業領域獲得了較多的應用。

但是SIT在柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，這被稱為正常導通型器件，使用不太方便。此外，SIT通態電阻較大，使得通態損耗也大，因而SIT還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。

源漏電流受柵極上的外加垂直電場控制的垂直溝道場效應晶體管，簡稱SIT。靜電感應晶體管是一種新型器件，可用於高保真度的音響設備、電源、電機控制、通信機、電視差轉機以及雷達、導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月日本西澤潤一發表SIT的研究結果。在70年代中期，它作為音頻功率放大器件在日本國內得到了迅速的發展，先後制出最高截止頻率10兆赫、輸出功率1千瓦和30兆赫、輸出功率達2千瓦的靜電感應晶體管。1974年之後，高頻和微波功率靜電感應晶體管有較大發展。已出現1吉赫下輸出功率100瓦的內匹配合成器件和2吉赫下輸出 10瓦左右的器件。靜電感應型硅可控整流器已做到導通電流30安(壓降為0.9伏)，開關時間為110納秒。另外，已研製出 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）。

靜電感應晶體管結構分析

SIT是一種電壓控制器件。在零柵壓或很小的負柵壓時，溝道區已全部耗盡，呈夾斷狀態，靠近源極一側的溝道中出現呈馬鞍形分佈的勢壘，由源極流向漏極的電流完全受此勢壘的控制。在漏極上加一定的電壓后，勢壘下降，源漏電流開始流動。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保持其電連接的，因此稱為靜電感應晶體管。SIT和一般場效應晶體管(FET)在結構上的主要區別是：①SIT溝道區摻雜濃度低，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體特性，後者為飽和型五極管特性。

靜電感應晶體管結構形式主要有三種結構形式：

埋柵結構是典型結構（圖2），適用於低頻大功率器件；

表面電極結構適用於高頻和微波功率SIT;

介質覆蓋柵結構是中國研製成功的，這種結構既適用於低頻大功率器件，也適用於高頻和微波功率器件，其特點是工藝難度小、成品率高、成本低、適於大量生產。中國已研製出具有這種結構的 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、雜訊係數小於3分貝的功率低雜訊SIT。

和雙極型晶體管相比，SIT具有以下的優點：

①線性好、雜訊小。用SIT製成的功率放大器，在音質、音色等方面均優於雙極型晶體管。

②輸入阻抗高、輸出阻抗低，可直接構成OTL電路。

③SIT是一種無基區晶體管，沒有基區少數載流子存儲效應，開關速度快。

④它是一種多子器件，在大電流下具有負溫度係數，器件本身有溫度自平衡作用，抗燒毀能力強。

⑤無二次擊穿效應，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。

靜電感應晶體管的結構是由日本的西澤潤一和渡邊提出的，並於1970 年由西澤潤一報道了第一隻靜電感應晶體管。SIT從基本結構、工作原理到重要的工藝即在高阻外延層上做P+隱埋柵，都是二十世紀六七十年代末在西澤半導體研究所開發的。由於SIT器件顯示負溫度特性，不引起電流集中，易實現大面積化，採用完美晶體生長技術把柵電阻做得非常小；高阻抗層的引入使電極間的電容大大減小，從而實現了高頻、千瓦量級的大功率SIT器件。典型的器件有日本樂器公司的200W 60MHz音響放大器用的SIT、東北金屬工業公司300W 、1KW、3KW的隱埋柵功率SIT，這些功率器件表現出典型的常開特性，可用於超聲振蕩器、工業用高頻感應加熱等。1976 年西澤潤一又研製出平面柵結構的SIT。其後日本自動紡織機械製作所利用此技術製造了1000V、200A的常開型功率SIT，用於升降機的DC/AC電機調速。通過減小柵與漏間、柵與線路間的電容，採用能減少柵電阻的嵌入柵結構，1979 年三菱電機和東芝公司分別研製成了2GHz 10W；1GHz100W的微波大功率SIT，作為晶體管首次創造出微波頻段、輸出超過100W記錄，證實了SIT作為晶體管優良的性能，並在開關電源、超聲波發生器、廣播功率放大器、空間技術等應用方面得以大力開發。經潛心研究和開發，1983 年美國GTE公司採用硅平面柵和隱埋柵型結構，研製成功了200～900MHz頻帶，輸出功率100W及1.2GHz 、輸出功率25W的SIT，用於衛星通信領域。1986 年50MHz、500W高頻功率SIT進入市場。1987 年日本東芝將3KW常開型功率SIT用於100KHz、300KW的高頻感應加熱設備，同時開展了200KHz、1MW設備的試製工作。日本的東北金屬工業株式會社將50～100W常開型SIT用於飛船。採用300W級的SIT研製出了KW超聲波發生器，其中包括振子轉換效率在75%以上；採用300W級SIT研製了100KHz、25V、60A開關電源，效率為70%。當時SIT的水平是：截止頻率為30～50MHz，連續工作電流250A，最大阻斷電壓2000V。八十年代中後期，IGBT、VDMOS、MCT等新型器件的開發取代了SIT的研究，研究者們把精力放在更具有完美特性的器件上。主要製造廠商有日本的三菱電機、東芝公司、東北金屬工業株式會社，法國的CNET，美國的GTE公司。