MESFET y FET de GaAs - Qué Es, Como Funciona Y Cuales Son Sus Características.

El MESFET es una forma de transistor de efecto de campo de alto rendimiento que se utiliza principalmente para aplicaciones de microondas exigentes, tanto como amplificador de señal de bajo ruido como en circuitos de RF de mayor potencia.

La abreviatura MESFET significa Transistor de Efecto de Campo de Metal-Semiconductor y la forma más utilizada es el GaAsFET fabricado con el material semiconductor III-IV arseniuro de galio.

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    Estructura del FET de GaAs / MESFET

    La estructura MESFET es muy similar a la de un FET de unión o JFET. Como el nombre del MESFET indica, tiene un contacto metálico directamente sobre el silicio, y esto forma una unión de diodo de barrera Schottky. Así, el diodo Schottky se utiliza como un diodo de polarización inversa de la misma manera que un JFET. La principal diferencia es que el diodo Schottky forma un diodo mucho más pequeño.

    El material utilizado puede ser el silicio u otras formas de semiconductor. Sin embargo, el material más utilizado es el arseniuro de galio GaAs. El arseniuro de galio suele elegirse por la gran movilidad de los electrones que proporciona y que permite un funcionamiento superior a alta frecuencia.

    El sustrato del dispositivo semiconductor es semiaislante para conseguir una baja capacitancia parásita, y luego la capa activa se deposita epitaxialmente. El canal resultante suele tener un grosor inferior a 0,2 micras.

    El perfil de dopaje es normalmente no uniforme en una dirección perpendicular a la puerta. Esto hace que el dispositivo tenga una buena linealidad y poco ruido. La mayoría de los dispositivos deben funcionar a alta velocidad, por lo que se utiliza un canal n porque los electrones tienen una movilidad mucho mayor que los huecos, que estarían presentes en un canal p.

    Los contactos de la puerta pueden estar hechos de diversos materiales, como el aluminio, una estructura de capas de titanio-platino-oro, el propio platino o el tungsteno. Estos materiales proporcionan una gran altura de barrera, lo que a su vez reduce la corriente de fuga. Esto es especialmente importante para los dispositivos de modo de mejora que requieren una unión polarizada hacia delante.

    La relación entre la longitud y la profundidad de la puerta es importante, ya que determina varios parámetros de rendimiento. Por lo general, se mantiene en torno a cuatro, ya que existe un equilibrio entre las respuestas parásitas, la velocidad y los efectos de los canales cortos.

    Las regiones de fuente y drenaje se forman mediante la implantación de iones. Los contactos de drenaje de los MESFET de GaA suelen ser de AuGe, una aleación de oro y germanio.

    Hay dos estructuras principales que se utilizan para los MESFET:

    • Fuente y drenaje no alineados: En esta forma de MESFET, la puerta se coloca en una sección del canal. El contacto de la puerta no cubre toda la longitud del canal. Esto se debe a que los contactos de origen y drenaje se forman normalmente antes de la puerta.

    Fuente y drenaje no alineados

    • Fuente y drenaje autoalineados: Esta forma de estructura reduce la longitud del canal y el contacto de puerta cubre toda la longitud. Esto puede hacerse porque la compuerta se forma primero, pero para que el proceso de recocido necesario después de la formación de las zonas de fuente y drenaje por implantación iónica, el contacto de compuerta debe ser capaz de soportar las altas temperaturas y esto hace que el uso de un número limitado de materiales sea adecuado.

    Fuente y drenaje autoalineados

    Funcionamiento del MESFET

    Al igual que otras formas de transistores de efecto de campo, el Fet de GaAs o MESFET tiene dos formas que pueden utilizarse:

    • MESFET de modo de mejora: En un MESFET de modo de mejora, la región de agotamiento es lo suficientemente amplia como para pellizcar el canal sin tensión aplicada. Por lo tanto, el MESFET de modo de mejora está naturalmente "apagado". Cuando se aplica una tensión positiva entre la puerta y la fuente, la región de agotamiento se reduce y el canal se vuelve conductor. Por desgracia, una tensión positiva entre la puerta y la fuente pone al diodo Schottky en polarización hacia delante, donde puede fluir una gran corriente.
    • MESFET en modo de agotamiento: si la región de agotamiento no se extiende hasta el sustrato tipo p, el MESFET es un MESFET en modo de agotamiento. Un MESFET en modo de agotamiento es conductor o está "ON" cuando no se aplica ninguna tensión puerta-fuente y se apaga cuando se aplica una tensión negativa puerta-fuente, que aumenta la anchura de la región de agotamiento de forma que "aprieta" el canal.

    Características del MESFET / GaAsFET

    El MESFET se utiliza en muchas aplicaciones de amplificación de RF. Se utiliza en muchas aplicaciones de RF y microondas en las que sus características le confieren una ventaja sobre otras tecnologías.

    Algunas de las características clave son:

    • Alta movilidad de los electrones: El uso de arseniuro de galio u otros materiales semiconductores de alto rendimiento proporciona un alto nivel de movilidad de los electrones, necesario para las aplicaciones de RF de alto rendimiento. La tecnología de semiconductores MESFET ha permitido que los amplificadores que utilizan estos dispositivos puedan funcionar hasta 50 GHz y más, y algunos hasta frecuencias de 100 GHz.
    • Bajos niveles de capacitancia: La estructura de la puerta del diodo Schottky da lugar a niveles de capacitancia de dispersión muy bajos que se prestan a un excelente rendimiento en RF y microondas.

    Lee: Tipos De Diodos Rectificadores. Características Y Función

    • Alta impedancia de entrada: El MESFET tiene una entrada muy superior en comparación con los transistores bipolares como resultado de la unión de diodos no conductora.
    • Coeficiente de temperatura negativo: El MESFET / FET de GaAs tiene un coeficiente de temperatura negativo que inhibe algunos de los problemas térmicos experimentados con otros transistores.
    • Falta de trampas de óxido: En comparación con el MOSFET de silicio más común, el FET o MESFET de GaAs no tiene los problemas asociados a las trampas de óxido.
    • Alto nivel de control de la geometría: El MESFET tiene un mejor control de la longitud del canal que un JFET. Esto se debe a que el JFET requiere un proceso de difusión para crear la puerta y este proceso no está bien definido. Las geometrías más exactas del FET / MESFET de GaAs proporcionan un producto mucho mejor y más repetible, lo que permite atender a geometrías muy pequeñas adaptadas a las frecuencias de microondas de RF.

    En muchos aspectos, la tecnología de GaAs está menos desarrollada que la de silicio. La enorme inversión que se realiza en la tecnología de silicio significa que ésta es mucho más barata. Sin embargo, la tecnología de GaAs puede beneficiarse de muchos de los avances y es fácil de utilizar en los procesos de fabricación de circuitos integrados.

    FET / MESFET de GaAs en uso

    El FET / MESFET de GaAs se utiliza ampliamente como dispositivo amplificador de RF. Las pequeñas geometrías y otros aspectos del dispositivo lo hacen ideal para esta aplicación.

    Los circuitos utilizados normalmente suministran tensiones del orden de unos 10 voltios. Sin embargo, hay que tener mucho cuidado a la hora de diseñar las disposiciones de polarización, ya que si la corriente fluye en la unión de la puerta, destruirá el FET de GaAS.

    También hay que tener mucho cuidado al manipular los dispositivos, ya que son muy sensibles a la estática. Incluso tensiones estáticas inferiores a 100 voltios pueden destruir la unión.

    Además, cuando se utiliza como amplificador de RF conectado a una antena, el dispositivo debe estar protegido contra la estática recibida durante las tormentas eléctricas.

    Si se observan estas precauciones, el FET o MESFET de GaAs funcionará muy bien, proporcionando un rendimiento de alta frecuencia combinado con un bajo ruido y un alto nivel de eficiencia.

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