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MESFET y GaAs FET

MESFET y GaAs FET

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

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

Estructura GaAs FET / MESFET

La estructura de MESFET es muy similar a una unión FET o JFET. Como indica el nombre del MESFET, tiene un contacto de metal directamente sobre el silicio, y esto forma una unión de diodo de barrera Schottky. Como tal, el diodo Schottky se usa como un diodo polarizado inverso de la misma manera que lo hace un JFET. La principal diferencia es que el diodo Schottky forma un diodo mucho más pequeño.

El material que se utiliza puede ser silicio u otras formas de semiconductor. Sin embargo, el material más utilizado es el arseniuro de galio GaAs. El arseniuro de galio se elige normalmente debido a la movilidad de electrones muy superior que proporciona, lo que permite lograr un funcionamiento de alta frecuencia superior.

El sustrato para el dispositivo semiconductor es semiaislante para una baja capacitancia parásita, y luego la capa activa se deposita epitaxialmente. El canal resultante tiene típicamente menos de 0,2 micrones de espesor.

El perfil de dopaje normalmente no es uniforme en una dirección perpendicular a la puerta. Esto lo convierte en un dispositivo que tiene buena linealidad y poco ruido. La mayoría de los dispositivos son necesarios para el funcionamiento a alta velocidad y, por lo tanto, 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 una variedad de materiales que incluyen aluminio, una estructura en capas de titanio-platino-oro, platino en sí o tungsteno. Estos proporcionan una gran altura de barrera y esto a su vez reduce la corriente de fuga. Esto es particularmente importante para los dispositivos en modo de mejora que requieren una unión polarizada hacia adelante.

La relación entre la longitud y la profundidad de la puerta es importante, ya que determina una serie de parámetros de rendimiento. Por lo general, se mantiene alrededor de cuatro, ya que existe un equilibrio entre las respuestas parasitarias, la velocidad y los efectos de canal corto.

Las regiones de origen y drenaje se forman mediante implantación de iones. Los contactos de drenaje de los MESFET de GaAs son normalmente AuGe, una aleación de oro y germanio.

Hay dos estructuras principales que se utilizan para los MESFET:

Operación MESFET

Al igual que otras formas de transistor de efecto de campo, GaAs Fet o MESFET tiene dos formas que se pueden utilizar:

  • Modo de mejora MESFET: En un MESFET de modo de mejora, la región de agotamiento es lo suficientemente amplia como para cortar el canal sin aplicar voltaje. Por lo tanto, el MESFET del modo de mejora está naturalmente en "OFF". Cuando se aplica un voltaje positivo entre la puerta y la fuente, la región de agotamiento se contrae y el canal se vuelve conductor. Desafortunadamente, un voltaje positivo de puerta a fuente coloca al diodo Schottky en polarización directa, donde puede fluir una gran corriente.
  • Modo de agotamiento MESFET: Si la región de agotamiento no se extiende hasta el sustrato de tipo p, el MESFET es un MESFET de modo de agotamiento. Un MESFET en modo de agotamiento es conductor o está "ENCENDIDO" cuando no se aplica voltaje de puerta a fuente y se apaga cuando se aplica un voltaje de puerta a fuente negativo, lo que aumenta el ancho de la región de agotamiento de manera que "Pellizca" el canal.

Características MESFET / GaAsFET

El MESFET se utiliza en muchas aplicaciones de amplificadores de RF. Se utiliza en muchas aplicaciones de RF y microondas donde sus características le dan una ventaja sobre otras tecnologías.

Algunas de las características clave incluyen:

  • Alta movilidad de electrones: El uso de arseniuro de galio u otros materiales semiconductores de alto rendimiento proporciona un alto nivel de movilidad electrónica que se requiere para aplicaciones de RF de alto rendimiento. La tecnología de semiconductores MESFET ha permitido a los amplificadores que utilizan estos dispositivos que pueden operar hasta 50 GHz y más, y algunos hasta frecuencias de 100 GHz.
  • Niveles de capacitancia bajos: La estructura de la puerta del diodo Schottky da como resultado niveles de capacitancia parásita muy bajos que se prestan a un excelente rendimiento de RF y microondas.
  • Impedancia de entrada alta: El MESFET tiene una entrada mucho más alta en comparación con los transistores bipolares como resultado de la unión de diodos no conductores.
  • Coeficiente de temperatura negativo: El MESFET / GaAs FET 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 GaAs FET o MESFET no tiene los problemas asociados con las trampas de óxido.
  • Alto nivel de control de geometría: El MESFET tiene un mejor control de la longitud del canal que un JFET. La razón de esto es que el JFET requiere un proceso de difusión para crear la puerta y este proceso está lejos de estar bien definido. Las geometrías más exactas de GaAS FET / MESFET proporcionan un producto mucho mejor y más repetible, y esto permite atender geometrías muy pequeñas adecuadas para frecuencias de microondas de RF.

En muchos aspectos, la tecnología de GaAs está menos desarrollada que la del silicio. La enorme inversión en curso en tecnología de silicio significa que la tecnología de silicio es mucho más barata. Sin embargo, la tecnología GaAs puede beneficiarse de muchos de los desarrollos y es fácil de usar en los procesos de fabricación de circuitos integrados.

GaAs FET / MESFET en uso

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

Los circuitos que se utilizan normalmente suministran tensiones del orden de unos 10 voltios. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado al diseñar las disposiciones de polarización porque si la corriente fluye en la unión de la puerta, destruirá el FET de GaAS.

Del mismo modo, se debe tener mucho cuidado al manipular los dispositivos, ya que son muy sensibles a la estática. Incluso los voltajes estáticos de menos de 100 voltios pueden destruir la unión.

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

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

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