MESFET транзисторы: полное руководство по производительности и RF-приложениям

Металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET)

Схема металл-полупроводникового полевого транзистора

Источник: Wikimedia Commons

MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) похож на JFET по конструкции и работе, но с ключевым отличием: вместо p-n перехода используется Шотткиевский барьер (металл-полупроводник) для управления шириной зоны вытеснения и проводимостью. Это позволяет применять MESFET в высокомощных ВЧ схемах.

GaAs (арсенид галлия) MESFET обладает высокой подвижностью электронов для высоких частот. Активный слой на полупроводящем подложке с низкой паразитной емкостью. Дает отличную характеристику для высокой (40 Вт) и низкой мощности: радары, спутниковая связь, СВЧ связь.

Типы MESFET

Два типа: n-канальный и p-канальный. N-канальный популярнее — электроны как основные носители заряда. Подвижность электронов в 20 раз выше подвижности дыр в GaAs.

Конструкция и работа MESFET

Диаграмма структуры MESFET.

Источник: Wikimedia Commons

Содержит один ультратонкий слабо n-легированный полупроводниковый слой — канал. На полуизоляющем подложке с сильно легированными областями источник (source) и сток (drain). Металл накрывает верх канала — образует Шотткиевский барьер между выводами. Эта область — затвор (gate).

При отрицательном смещении затвора управляется ток канала: образуется зона вытеснения без носителей заряда у металлизированного затвора. Это сужает канал — модуляция ширины канала носителями.

Символ MESFET

Символ MESFET

Зона вытеснения расширяется в области затвора. На символе: стрелка p-канала наружу, n-канала — внутрь.

Режимы работы MESFET

Два режима: enrichment (enhancement) и depletion.

Enhancement mode (режим наращения): Зона вытеснения достаточно широка, блокирует носители между затвором и источником. По умолчанию — выключен (OFF). Положительное напряжение затвор-источник сужает зону → ток в канале. Но большой ток течет при прямом смещении Шотткиевского диода (V_GS > 0,7 В).

Depletion mode (режим вытеснения): Зона вытеснения не доходит до p-подложки. Включен по умолчанию (ON) без смещения. Отрицательное V_GS расширяет зону → отсекает ток источник-сток.

Характеристики MESFET

MESFET обеспечивает высокую подвижность электронов.

• Высокое входное сопротивление: выше биполярных транзисторов за счет диодного перехода.
• Превенция оксидных ловушек: в отличие от Si MOSFET, нет оксидного слоя → нет ловушек.
• Высокий уровень геометрического контроля: лучший контроль длины канала vs JFET. Малые геометрии для ВЧ.
• Низкая емкость: структура Шотткиевского затвора → низкая емкость, идеально для ВЧ/СВЧ.
• Отрицательный температурный коэффициент: предотвращает термические проблемы.
• Высокая подвижность электронов: усилители на MESFET работают на 50–100 ГГц.

Применения MESFET

Мобильные телефоны часто содержат MESFET.

• Мобильные телефоны
• СВЧ схемы
• Спутниковая связь
• ВЧ усилители
• Радары
• Высокочастотные устройства
• Коммерческая оптоэлектроника

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Работа на высоких частотах
• Без оксидного слоя — нет оксидных ловушек
• Высокий геометрический контроль
• Высокое входное сопротивление

Недостатки:

• Пороговое напряжение GaAs Шотткиевского диода ~0,7 В. Порог должен быть ниже — затрудняет создание enhancement-mode схем.

MESFET vs MOSFET

MOSFET на печатной плате.

Источник: Wikimedia Commons

Главное отличие: MOSFET закрыт до подачи V_GS > V_th. MESFET (depletion mode) открыт по умолчанию, закрывается отрицательным V_GS.

Резюме

MESFET имеет затвор, источник, сток как JFET. Затвор — Шотткиевский барьер (металл), управляющий зоной вытеснения. Отличается от JFET (p-n переход). GaAs MESFET для высоких частот. Вопросы — пишите!