靜電感應晶體管基礎知識解析

技術 雷達 日本 設計 雲漢芯城ICkey 2019-05-31

靜電感應晶體管是一種結型場效應管單極型壓控器件。它具有輸入阻抗高、輸出功率大、開關特性好、熱穩定性好以抗輻射能力強等特點。SIT在結構設計上採用多單元集成技術,因而可製成高壓大功率器件。它不僅能工作在開關狀態,作為大功率電流開關,而且也可以作為功率放大器,用於大功率中頻發射機、長波電臺、差轉機、高頻感應加熱裝置以及雷達等方面。目前,SIT的產品已達到電壓1500V、電流300A、耗散功率3kW、截止頻率30~50MHz。

靜電感應晶體管基礎知識解析

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器件的橫向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。

靜電感應晶體管基礎知識解析

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,先後製出最高截止頻率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)。

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結構分析

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後,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釐米-3,FET則為1015~1017釐米-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,後者為飽和型五極管特性。

結構形式

靜電感應晶體管結構形式主要有三種結構形式:

表面電極結構

表面電極結構適用於高頻和微波功率SIT;

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埋柵結構

埋柵結構是典型結構(圖2),適用於低頻大功率器件;

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介質覆蓋柵結構

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,還製出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪聲係數小於3分貝的功率低噪聲SIT。

優點

和雙極型晶體管相比,SIT具有以下的優點:

①線性好、噪聲小。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,抗燒燬能力強。

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。

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