MESFET e GaAs FET
O GaAs FET é uma forma de MESFET que oferece excelente desempenho de RF e micro-ondas.
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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:
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O MESFET é uma forma de transistor de efeito de campo de alto desempenho que é usado principalmente para aplicações de micro-ondas exatas, tanto como um amplificador de sinal de baixo ruído quanto em circuitos de RF de alta potência.
A abreviação MESFET significa MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor e a forma mais amplamente usada é o GaAsFET fabricado usando o material semicondutor III-IV arsenieto de gálio.
Estrutura GaAs FET / MESFET
A estrutura MESFET é muito semelhante a uma junção FET ou JFET. Como o nome do MESFET indica, ele tem um contato de metal diretamente no silício, e isso forma uma junção de diodo de barreira Schottky. Como tal, o diodo Schottky é usado como um diodo de polarização reversa da mesma forma que um JFET faz. A principal diferença é que o diodo Schottky forma um diodo muito menor.
O material usado pode ser silício ou outras formas de semicondutor. No entanto, o material mais utilizado é o arsenieto de gálio GaAs. O arsenieto de gálio é normalmente escolhido por causa da mobilidade eletrônica muito superior que ele fornece, o que permite que a operação de alta frequência superior seja alcançada.
O substrato para o dispositivo semicondutor é semi-isolante para baixa capacitância parasita e, em seguida, a camada ativa é depositada epitaxialmente. O canal resultante tem tipicamente menos de 0,2 mícrons de espessura.
O perfil de dopagem normalmente não é uniforme em uma direção perpendicular ao portão. Isso cria um dispositivo com boa linearidade e baixo ruído. A maioria dos dispositivos é necessária para operação em alta velocidade e, portanto, um canal n é usado porque os elétrons têm uma mobilidade muito maior do que os buracos que estariam presentes em um canal p.
Os contatos da porta podem ser feitos de uma variedade de materiais, incluindo alumínio, uma estrutura em camadas de titânio-platina-ouro, a própria platina ou tungstênio. Estes fornecem uma alta altura de barreira e isso, por sua vez, reduz a corrente de fuga. Isso é particularmente importante para dispositivos de modo de aprimoramento que requerem uma junção com polarização direta.
A relação comprimento/profundidade do portão é importante, pois determina vários parâmetros de desempenho. Normalmente, é mantido em torno de quatro, pois há uma compensação entre respostas parasitas, velocidade e efeitos de canal curto.
As regiões de fonte e dreno são formadas por implantação iônica. Os contatos de drenagem para GaAs MESFETs são normalmente AuGe – uma liga de Ouro-Germânio.
Existem duas estruturas principais que são usadas para MESFETs:
- Fonte e dreno não auto-alinhados: Para esta forma de MESFET, o portão é colocado em uma seção do canal. O contato do portão não cobre todo o comprimento do canal. Isso ocorre porque os contatos de fonte e dreno são normalmente formados antes do portão.
Estrutura MESFET / GaAs FET não auto-alinhada - Fonte e dreno auto-alinhados: Esta forma de estrutura reduz o comprimento do canal e o contato do portão cobre todo o comprimento. Isso pode ser feito porque o portão é formado primeiro, mas para que o processo de recozimento necessário após a formação das áreas de fonte e dreno por implantação de íons, o contato do portão deve ser capaz de suportar as altas temperaturas e isso resulta no uso de um número limitado de materiais é adequado.
Operação MESFET
Como outras formas de transistor de efeito de campo, o GaAs Fet ou MESFET tem duas formas que podem ser usadas:
- MESFET de modo de aprimoramento: Em um MESFET de modo de aprimoramento, a região de depleção é ampla o suficiente para beliscar o canal sem tensão aplicada. Portanto, o MESFET do modo de aprimoramento está naturalmente “DESLIGADO”. Quando uma tensão positiva é aplicada entre a porta e a fonte, a região de depleção diminui e o canal se torna condutivo. Infelizmente, uma tensão porta-fonte positiva coloca o diodo Schottky em polarização direta, onde uma grande corrente pode fluir.
- MESFET em modo de depleção: Se a região de depleção não se estender até o substrato do tipo p, o MESFET é um MESFET em modo de depleção. Um MESFET de modo de depleção é condutivo ou “LIGADO” quando nenhuma tensão porta-fonte é aplicada e é “DESLIGADO” mediante a aplicação de uma tensão porta-fonte negativa, que aumenta a largura da região de depleção de modo que ele “aperta” o canal.
Características MESFET / GaAsFET
O MESFET é usado em muitas aplicações de amplificadores de RF. É usado em muitas aplicações de RF e micro-ondas, onde suas características lhe conferem uma vantagem sobre outras tecnologias.
Algumas das principais características incluem:
- Alta mobilidade de elétrons: O uso de arseneto de gálio ou outros materiais semicondutores de alto desempenho fornece um alto nível de mobilidade de elétrons que é necessário para aplicações de RF de alto desempenho. A tecnologia de semicondutores MESFET permitiu amplificadores usando esses dispositivos que podem operar até 50 GHz e mais, e alguns até frequências de 100 GHz.
- Baixos níveis de capacitância: A estrutura do portão de diodo Schottky resulta em níveis muito baixos de capacitância parasita que se prestam a um excelente desempenho de RF e micro-ondas.
- Alta impedância de entrada: O MESFET tem uma entrada muito maior quando comparado aos transistores bipolares como resultado da junção do diodo não condutor.
- Coeficiente de temperatura negativo: O MESFET / GaAs FET tem um coeficiente de temperatura negativo que inibe alguns dos problemas térmicos experimentados com outros transistores.
- Falta de armadilhas de óxido: Quando comparado ao MOSFET de silício mais comum, o GaAs FET ou MESFET não apresenta os problemas associados às armadilhas de óxido.
- Alto nível de controle de geometria: O MESFET tem melhor controle de comprimento de canal do que um JFET. A razão para isso é que o JFET requer um processo de difusão para criar o portão e esse processo está longe de ser bem definido. As geometrias mais exatas do GaAS FET / MESFET fornecem um produto muito melhor e mais repetível, e isso permite que geometrias muito pequenas adequadas às frequências de micro-ondas de RF sejam atendidas.
Em muitos aspectos, a tecnologia GaAs é menos desenvolvida do que o silício. O enorme investimento contínuo em tecnologia de silício significa que a tecnologia de silício é muito mais barata. No entanto, a tecnologia GaAs é capaz de se beneficiar de muitos dos desenvolvimentos e é fácil de usar em processos de fabricação de circuitos integrados.
GaAs FET / MESFET em uso
O GaAs FET / MESFET é amplamente utilizado como um dispositivo amplificador de RF. As pequenas geometrias e outros aspectos do dispositivo o tornam ideal para esta aplicação.
Os circuitos normalmente utilizavam tensões de alimentação da ordem de 10 volts. No entanto, muito cuidado deve ser tomado ao projetar os arranjos de polarização porque, se a corrente fluir na junção do portão, ela destruirá o GaAS FET.
Da mesma forma, muito cuidado deve ser tomado ao manusear os dispositivos, pois eles são muito sensíveis à estática. Mesmo tensões estáticas abaixo de 100 volts podem destruir a junção.
Além disso, quando usado como amplificador de RF conectado a uma antena, o dispositivo deve ser protegido contra estática recebida durante tempestades elétricas.
Se essas precauções forem observadas, o GaAs FET ou MESFET terá um desempenho extremamente bom, fornecendo desempenho de alta frequência combinado com baixo ruído e alto nível de eficiência.
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