静电感应晶体管

一种结型场效应管单极型压控器件

静电感应晶体管是一种结型场效应管单极型压控器件。它具有输入阻抗高、输出功率大、开关特性好、热稳定性好以抗辐射能力强等特点。SIT在结构设计上采用多单元集成技术，因而可制成高压大功率器件。它不仅能工作在开关状态，作为大功率电流开关，而且也可以作为功率放大器，用于大功率中频发射机、长波电台、差转机、高频感应加热装置以及雷达等方面。SIT的产品已达到电压1500V、电流300A、耗散功率3kW、截止频率30～50MHz。

简介

静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合，已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。

但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便。此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

详细说明

源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制的垂直沟道场效应晶体管,简称SIT。静电感应晶体管是一种新型器件，可用于高保真度的音响设备、电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器中。

1952年日本的渡边、西泽等人提出模拟晶体管的模型，1971年9月日本西泽润一发表SIT的研究结果。在70年代中期，它作为音频功率放大器件在日本国内得到了迅速的发展，先后制出最高截止频率10兆赫、输出功率1千瓦和30兆赫、输出功率达2千瓦的静电感应晶体管。1974年之后，高频和微波功率静电感应晶体管有较大发展。已出现1吉赫下输出功率100瓦的内匹配合成器件和2吉赫下输出 10瓦左右的器件。静电感应型硅可控整流器已做到导通电流30安(压降为0.9伏)，开关时间为110纳秒。另外，已研制出 MOS型SIT和SIT低功耗、高速集成电路，其逻辑门的功率-延迟积的理论值可达1×10-15焦以下。　SIT具有非饱和型电流电压输出特性,它和三极电子管的输出特性相类似（图1）。

结构分析

静电感应晶体管结构分析

SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负栅压时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，靠近源极一侧的沟道中出现呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒的控制。在漏极上加一定的电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高,越大,亦即 SIT的源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其电连接的,因此称为静电感应晶体管。SIT和一般场效应晶体管(FET)在结构上的主要区别是：①SIT沟道区掺杂浓度低，为1012～1015厘米-3,FET则为1015～1017厘米-3；②SIT具有短沟道，在输出特性上，前者为非饱和型三极管特性，后者为饱和型五极管特性。

结构形式

静电感应晶体管结构形式主要有三种结构形式：

埋栅结构

埋栅结构是典型结构（图2），适用于低频大功率器件；

表面电极结构

表面电极结构适用于高频和微波功率SIT;

介质覆盖栅结构

介质覆盖栅结构是中国研制成功的，这种结构既适用于低频大功率器件，也适用于高频和微波功率器件，其特点是工艺难度小、成品率高、成本低、适于大量生产。中国已研制出具有这种结构的 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，还制出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪声系数小于3分贝的功率低噪声SIT。

优点

和双极型晶体管相比，SIT具有以下的优点：

①线性好、噪声小。用SIT制成的功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。

②输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。

③SIT是一种无基区晶体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。

④它是一种多子器件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力强。

⑤无二次击穿效应，可靠性高。

⑥低温性能好，在-19℃下工作正常。

⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。

发展历史

静电感应晶体管的结构是由日本的西泽润一和渡边提出的，并于1970 年由西泽润一报道了第一只静电感应晶体管。SIT从基本结构、工作原理到重要的工艺即在高阻外延层上做P+隐埋栅，都是二十世纪六七十年代末在西泽半导体研究所开发的。由于SIT器件显示负温度特性，不引起电流集中，易实现大面积化，采用完美晶体生长技术把栅电阻做得非常小；高阻抗层的引入使电极间的电容大大减小，从而实现了高频、千瓦量级的大功率SIT器件。典型的器件有日本乐器公司的200W 60MHz音响放大器用的SIT、东北金属工业公司300W 、1KW、3KW的隐埋栅功率SIT，这些功率器件表现出典型的常开特性,可用于超声振荡器、工业用高频感应加热等。1976 年西泽润一又研制出平面栅结构的SIT。日本自动纺织机械制作所利用此技术制造了1000V、200A的常开型功率SIT，用于升降机的DC/AC电机调速。通过减小栅与漏间、栅与线路间的电容，采用能减少栅电阻的嵌入栅结构，1979 年三菱电机和东芝公司分别研制成了2GHz 10W；1GHz100W的微波大功率SIT，作为晶体管首次创造出微波频段、输出超过100W记录，证实了SIT作为晶体管优良的性能，并在开关电源、超声波发生器、广播功率放大器、空间技术等应用方面得以大力开发。经潜心研究和开发，1983 年美国GTE公司采用硅平面栅和隐埋栅型结构，研制成功了200～900MHz频带，输出功率100W及1.2GHz 、输出功率25W的SIT，用于卫星通信领域。1986 年50MHz、500W高频功率SIT进入市场。1987 年日本东芝将3KW常开型功率SIT用于100KHz、300KW的高频感应加热设备，同时开展了200KHz、1MW设备的试制工作。日本的东北金属工业株式会社将50～100W常开型SIT用于飞船。采用300W级的SIT研制出了KW超声波发生器，其中包括振子转换效率在75%以上；采用300W级SIT研制了100KHz、25V、60A开关电源，效率为70%。当时SIT的水平是：截止频率为30～50MHz，连续工作电流250A，最大阻断电压2000V。八十年代中后期，IGBT、VDMOS、MCT等新型器件的开发取代了SIT的研究，研究者们把精力放在更具有完美特性的器件上。主要制造厂商有日本的三菱电机、东芝公司、东北金属工业株式会社，法国的CNET，美国的GTE公司。

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