【正文】 過通道的電流作貢獻。如果是空穴貢獻就說成是 P溝通道 FET，否則就說成是 N溝通道 FET。 FET是電壓控制器件，通過改變在柵極上所加電壓，產生可變電場來控制從源極到漏極的電流。 6． 4射頻場效應晶體管 6． 4． 1 結構 FET按照如何把柵極連接到導電溝道而進行分類的。有以下四種類型： FET[MISFET]：這里柵極通過一絕緣層與溝道分開。是最為廣 泛應用的類型之一。金屬氧化物半導體 (M0SFET)屬于此類。 (JFET)：這種類型依靠一負偏置的 PN結把柵極與溝道絕緣。 3．金屬半導體 FET[MESFET]：如果把負偏置 PN結換成肖特基接觸，溝道能被控制 如在 JFET中的情況。 FET（ Hetero FET)：其結構使用不同半導體層之間的突變過渡。高電子遷移率晶體管（ HEMT）屬于這類。 圖 6． 39給出了前三類的概貌。在這三種情況下，電流從源指向漏極，用柵極控制電流。 6． 4射頻場效應晶體管 MISFET和 JFET具有較低截止頻率，通常工作于 1GHz以下的低和中等頻率范圍內。 MESFET可使用于 6070GHz范圍內，而 HEMT可工作于超過 100GHz。射頻應用主要是后兩種類型。 除了上面的物理分類外，習慣上按照增強型或降低型對 HP的電性能進行分類。 這樣意味著溝通或經歷載流于的增長 (例如用電子注入 N型溝道 )或經歷載流子的降低 (例如 N型溝道中電子耗盡 )。在圖 6． 39(a)中 FET是不導電的或常開的，直到一足夠高的正柵壓建立起導電溝道，常開的 FET只能工作在增強模式。常閉的 FET能在增強和降低型兩種模式中工作。 6． 4射頻場效應晶體管 6． 4． 2 功能 以 MESFET為例分析，圖 6． 40所示，此處晶體管工作在降低 (耗盡 )模式。 肖特基接觸建立起一溝道空間電荷區(qū)，這將影響從源極到漏極的電流。按照在 6． 1． 3節(jié)中的討論，空間電荷長度 ds可通過柵極電壓來控制，得： 源極到漏極之間的電阻： 漏極電流： 表明：漏極電流與漏極 源電壓線性相關，當漏極 源電壓增加時，在漏極接觸處附近的空間電荷區(qū)同樣增長，造成沿溝道耗盡區(qū)的不均勻分布；參見圖 6． 40(b)。此時，可用漸變溝道近似法，求得非均勻空間電荷區(qū)的漏極電流，則溝道電流： 6． 4射頻場效應晶體管 則電荷長度修改為： 得：在固定電壓 VGS下， MESFET的輸出特性： 當空間電荷擴展到整個溝道深度 d時，此時的漏極 源電壓稱為漏極飽和電壓 VDsat 漏極飽和電流 其中 Vp=qNDd2/2ε 稱夾斷電壓 VTO=VdVp稱閾電壓 6． 4射頻場效應晶體管 當 VGS=0時，得到最大飽和電流 IDsat(VGS=0)=IDSS 飽和漏極電流： 如圖為典型的輸入 /輸出轉移特性及輸出特性： 6． 4射頻場效應晶體管 6． 4射頻場效應晶體管 在給定的 VGS下如果 VDS到達飽和電壓 VDsat，空間電荷夾斷溝道。這意味著漏極電流達到飽和。但夾斷并不是指 ID為零，因為沒有電荷勢壘阻斷載流子流動。外加電壓 VDS 產生的電場“拉走”電子越過耗盡空間電荷層。任何額外增加使 VDS 〉 VDsat ，將造成溝道長度的縮短，從原來長度 L縮短成新長度 L’=L?L。 則漏電飽和電流改變?yōu)椋? 作為 VDS 函數(shù)的溝道長度上的變化通過所謂的溝道長度調制參量 λ ＝ ?L /（ L‘VDS ）自行加以考慮。把在飽和區(qū)域中的漏極電流表示成： 是特別有用的，測量表明當 VDS增加時漏極電流稍有增加。 6． 4射頻場效應晶體管 溝道長度調制類似于在 BJT中遇見的Early(厄雷 )效應，當增高集電極一發(fā)射極電壓時，在飽和模式下的集電極電流略有增加，這將在第 7章中討論。 6． 4射頻場效應晶體管 6． 4． 4 極限值 MESFET必須工作在由最大漏極電流 I Dmax，最大柵極一源電壓 V GSmax和最大漏極一源極電壓 V DSmax所局限的區(qū)域中。 最大功率： 同時它與溝道溫度 Tc和環(huán)境溫度 Ta以及溝道與焊點間的熱阻 Rthjs有關，關系如下式： 頻率響應 高頻 MESFET性能取決于在源極和漏極間行進的荷電載流子的渡越時間和器件的 RC時間常數(shù)。關于時間常數(shù)以后討論，這里只分析渡越時間。由于在 Si和 GaAs中電子比空穴有高得多的遷移率，在 RF和 MW應用中基本使用 N溝道 MESFET，且 GaAs的電子遷移率比 Si的電子遷移率約高 5倍，大都選用 GaAs MESFET器件 。 電子穿越柵極長度 L的溝道，其渡越時間出下式計算： 其中假定固定的飽和速度 Vsat， 如：柵極長度為 、 飽和速度約為 107cm/s時， 則 過渡頻率： f T=1/(2πη)為 15GHz。 6． 4射頻場效應晶體管 如圖 6． 44為 MESFET典型的最大輸出特性。 圖中還表示出 3個可能工作點： 偏置點 3指出了低的放大和可能削減的輸出電流。然而，功率消耗則處于最低值。 偏置點 2顯示出在明顯增大功率消耗下可接受的放大。 偏置點 1顯示出在高功率消耗和低輸出電流擺動下的高放大。 在后續(xù)各章中將深入研究對于特定應用，選擇合適工作點的問題。 6． 5 高電子遷移率晶體管 高電子遷移率晶體管 (HEMT)也稱為 調制摻雜場效應晶體管 (MODFET)， 特點： 它利用不相似半導體材料諸如 GaAlAs和 GaAs之間帶隙能上的差別， 突破 MESFET的最高頻率的限制，而同時保持其低噪聲性能和高功率額定值。 過渡頻率已達到 100GHz或更高。 這種高頻率特性是由于電子載流于從滲雜GaAlAs和未摻雜 GaAs層 (量子阱 )之間界面上的施主位置分離出來，在那里它們被局限于非常窄 (約 10 nm厚 )的層內，只可能平行于界面作運動。 利用二維電子氣體 (2DEG)或等離子體，有非常高的電子遷移率，可高達 9000cm2／ (Vs)。 這是針對 μ n=4500cm2／ (Vs)的 GaAs MESFET的一個重大改進。 其載流子密度用表面密度來認定，典型值為 1012—1013cm2量級。 為進一步降低載流子受到雜質的散射，通常插入一不摻雜 GaAlAs的隔片層． 該層必須足夠薄（層厚范圍在 20100nm之間），允許柵壓 VGS通過靜電力作用去控制電子等離子體。 現(xiàn)在除了單層異質結構 (GaAlAs在 GaAs上 )外，已提出了包含有多個 2DEG溝道的多層異質結構。但制造更為困難。 6． 5 高電子遷移率晶體管 結構： 圖 6． 45為基本的異質結構，最上面是一層 GaAlAs N摻雜的半導體材料，第二層為未摻雜的 GaAlAs隔片層，接著是一末摻雜的 GaAs層和一高阻半絕緣 GaAs基底。 二維電子氣體（ 2DEG）是在零柵極偏置條件下在未摻雜的 GaAs層中形成的，因為費米能級在導帶上，致使電子積累在窄的勢壘阱中。遞增地加上負柵壓能使電子濃度耗盡。 HEMT基本上是由異質結構組成，這些異質結構具有協(xié)調的晶格常數(shù)以避免層之間的機械張力。 如： GaAs和 In GaAs—lnP界面。 不協(xié)調晶格的器件位形稱為假晶 HEMT 或 p HEMT 6． 5 高電子遷移率晶體管 6． 5． 2 功能 決定柵極電流在 HEMT中流動的關鍵問題是 GaAlAs和 GaAs之間的狹窄的界面。 忽略隔片層，見圖 6． 46的能帶模型。 應用泊松方程得（一維方程）如下： 其中 ND和 εH分別 是在 GaAlAs異質結構中的施主濃度和介電常數(shù)。 電勢的邊界條件設置如下： V（ x=0)=0； 在金屬 —半導體邊上 V（ x=d）＝ Vb+V G +?Wc/q。 Vb是勢壘電壓， ?Wc是在 N摻雜的 GaAlAs和 GaAs之間的導電能級的能量差； VG是由柵極一源電壓和溝道電壓降組成，即 VG＝ V GS+V(y)。 6． 5 高電子遷移率晶體管 對上式積分二次，便可求得電勢。 在金屬一半導體處，設： 其中 VTO=Vb ?Wc/q –Vp 為 HEMT的閾電壓， 夾斷電壓 Vp=qNDd2/（ 2 εH） 從已知界面上的電場，可求出漏極電子電流： 由于電流被局限在非常薄的層內，所以對在 x＝ o處的表面電荷密度 Qs進 行積分，并應用高斯定理，得漏極電流： 或 當漏極 源極電壓等于或小于柵極 源極與閾電壓之差時夾斷發(fā)生，則： 6． 5 高電子遷移率晶體管 通過閾電壓的大小，可確定 HEMT是增強模式還是降低模式。 降低模式： VTO0 或 Vb ?Wc/q –Vp0 帶入夾斷電壓 Vp=qNDd2/（ 2 εH） ，求解得 如果 d小于上式，則為增強模式 HEMT。 6． 5 高電子遷移率晶體管 6． 5 高電子遷移率晶體管 頻率響應 與 MESFET相同， HEMT的高頻性能也取決于渡越時間。 DSnyns at VLELL????2???當柵極長度為 m，在漏極電壓 VDS=，遷移率 μ n=8000cm2/（ Vs ）時 渡越頻率近似為 190GHz。