MESFET 跟 MOSFET有何不同?

作者:Hightech   |   2018 / 11 / 26

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


MESFET 的構造

金屬-半導體場效電晶體(MESFET:Metal Semiconductor Field Effect Transistor)簡稱為「MES」,依照不同的導電特性又可以分為 NMES、PMES 二種:

➤NMES(N-type MES):NMES 的構造如 <圖一(a)> 所示,在 P 型矽基板的左右各製作一個N型的區域(類似水溝的構造),並且在上方蒸鍍金屬電極;另外在矽基板的中央上方製作一層氧化矽,上方再蒸鍍一層金屬電極,中央的金屬稱為「閘極(Gate)」,左邊的金屬稱為「源極(Source)」,右邊的金屬稱為「汲極(Drain)」。

➤PMES(P-type MES):PMES 的構造如 <圖一(b)> 所示,與 NMOS 相同,但是 N 型與 P 型區域相反,因此導電特性相反。

圖一 NMES的構造。

MESFET 的尺寸

由 <圖一> 可以看出,NMES 的閘極長度大約 0.5 μm(微米),所以 NMES 的尺寸大約 2.5 μm。由於使用砷化鎵晶圓製作,製程技術沒有矽晶圓成熟,而且市場上並沒有縮小線寬的需求(理由將在後面說明),因此「閘極寬度」比 MOS 要大許多,目前商業化的製程線寬從以前的 0.8 μm 進步到 0.6 μm、0.35 μm、0.15 μm。台灣除了製作 MOS 的晶圓廠,例如:台積電(2330-TW)、聯電(2303-TW)之外,也有製作 MES 的晶圓廠,例如:全新光電(2455-TW)、巨鎵科技、穩懋半導體(3105-TW)等。

MES 開關(MES switch)

NMES 開關的工作原理如<圖二>所示,將電子由左邊的源極(N 型水溝)注入,經過中央的閘極下方(P 型通道)以後,再由右邊的汲極(N 型水溝)流出,是否要讓電子通過,則由閘極「不加電壓(關)」或「施加電壓(開)」來控制:

➤閘極不加電壓:電子由左邊的源極(N 型水溝)注入以後,由於閘極下方為 P 型不導電子,故電子無法通過,形成斷路,代表 0,如 <圖二(a)> 所示。

➤閘極施加電壓:電子由左邊的源極(N 型水溝)注入以後,由於閘極施加正電壓吸引下方P型砷化鎵晶圓中的少量電子浮到表面,形成含有電子的通道(Channel),電子沿著通道繼續前進,形成通路,代表 1,如 <圖二(b)> 所示。

MES 開關的工作原理與 MOS 相同,但是砷化鎵的製程技術沒有矽晶圓成熟,所以元件尺寸比較大,成本也比較高,但是砷化鎵的原子振動頻率比矽高,所以適合用來製作高頻積體電路。使用 MES 開關來製作「數位積體電路」,例如:處理器(CPU),工作頻率可以達到 10 GHz 以上,早期曾經使用這種處理器來製作超級電腦(Super computer),應用在軍事用途,由於成本太高最後放棄,目前超級電腦也是使用 CMOS 來製作處理器(CPU),只是同時有很多個處理器(CPU)一起工作來提昇運算速度,就是所謂的「多核心處理器」。

圖二 NMES開關的工作原理。

MES 放大器(MES amplifier)

MES/HEMT 放大器的工作原理與 MOS 相同如 <圖三> 所示,使用 MES 放大器來製作類比積體電路,例如:射頻積體電路(RF IC)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA:Low Noise Amplifier)等,則工作頻率可以達到 10 GHz 以上,而且穩定性高、雜訊低,目前廣泛的應用在高頻無線通訊設備中,例如:行動電話、衛星通訊,因此 MES 大多做為「高頻放大器」使用。

圖三 NMES放大器的工作原理

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與知識力社群討論。

知識力》授權轉載

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