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第八章砷化镓微波场效应管8.1 GaAs场效应管的工作原理8.2 GaAs场效应管的设计方法关键词：FET 肖特基势垒MESFET 器件电学设计器件结构设计8.1 GaAs场效应管工作原理l930年，Lilienfeld和Heil首先提出了场效应晶体管(FET)的概念。
直至50 年代，在半导体材料工艺技术发展到一定水平之后，才由Decay和Ross做出了一个可以工作的器件。
此后至60年代初，场效应晶体管开始逐渐替代双极结型晶体管（BJT）。
目前，FET技术在电子学领域占据着重要地位。
FET器件和由其构成的集成电路可以采取多种不同的设计方法、并且可以在多种不同性质的半导体材料上实现。
因为硅材料有许多优良的特性，现在大多数FET由硅材料制成。
本节要讨论的化合物半导体FET在高速、高频应用领域以及其它高温、低温、高能辐射等恶劣工作环境的应用领域中，占有很重要的地位。
FET基本类型包括金属氧化物场效应管MOSFET，金属半导体场效应管MESFET。
图8-1 HVCMOS结构示意图（CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS，NO.5，V ol 25）图8-2 碳化硅MESFET结构示意图（JOURNAL of CAEIT，No.2 V ol.4）在MESFET中，栅极金属和半导体接触构成的肖特基结起到了至关重要的控制作用，金属栅与其他的半导体材料形成的金属—半导体结具有整流特性，这种金属—半导体接触称作肖特基势垒结，这种结构形成的势垒为肖特基势垒。
形成的物理机制为当金属和n型半导体靠在一起，两种材料之间电子就会通过交换达到一个热平衡，最终使整个结的费米能级处处相等。
开始的时候，电子从金属中逃逸要比从半导体中逃逸所遇到的势垒要高。
因而在达到热平衡的过程中，有净电子流从半导体流向金属，使金属带负电，半导体带正电。
半导体中的正电荷是由界面处电子耗尽后剩余的一薄层带正电的施主离子所形成的。
MOSFET的基本原理功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。
U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1.功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS 管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFETVertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET 采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。
