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MESFET & GaAs FET

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Der MESFET ist eine Hochleistungsform eines Feldeffekttransistors, der hauptsächlich für anspruchsvolle Mikrowellenanwendungen sowohl als rauscharmer Signalverstärker als auch in HF-Schaltungen mit höherer Leistung verwendet wird.

Die Abkürzung MESFET steht für MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor und die am weitesten verbreitete Form ist der GaAsFET, der unter Verwendung des III-IV-Halbleitermaterials Galliumarsenid hergestellt wird.

GaAs-FET / MESFET-Struktur

Die MESFET-Struktur ist einem Sperrschicht-FET oder JFET sehr ähnlich. Wie der Name des MESFET andeutet, hat er einen Metallkontakt direkt auf dem Silizium und bildet einen Schottky-Barrierediodenübergang. Als solche wird die Schottky-Diode als in Sperrrichtung vorgespannte Diode verwendet, genauso wie es ein JFET tut. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Schottky-Diode eine sehr viel kleinere Diode bildet.

Das verwendete Material kann Silizium oder andere Halbleiterformen sein. Das am häufigsten verwendete Material ist jedoch Galliumarsenid-GaAs. Galliumarsenid wird normalerweise aufgrund der sehr überlegenen Elektronenmobilität gewählt, die es ermöglicht, einen überlegenen Hochfrequenzbetrieb zu erreichen.

Das Substrat für die Halbleitervorrichtung ist für eine geringe parasitäre Kapazität halbisolierend, und dann wird die aktive Schicht epitaktisch abgeschieden. Der resultierende Kanal ist typischerweise weniger als 0,2 Mikrometer dick.

Das Dotierungsprofil ist normalerweise in einer Richtung senkrecht zum Gate ungleichmäßig. Dies ergibt ein Gerät mit guter Linearität und geringem Rauschen. Die meisten Geräte sind für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich, und daher wird ein n-Kanal verwendet, da Elektronen eine viel größere Mobilität aufweisen als Löcher, die in einem p-Kanal vorhanden wären.

Die Gatekontakte können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, einschließlich Aluminium, einer Titan-Platin-Gold-Schichtstruktur, Platin selbst oder Wolfram. Diese bieten eine hohe Barrierehöhe und dies reduziert wiederum den Leckstrom. Dies ist besonders wichtig für Geräte im Verbesserungsmodus, die eine vorwärts vorgespannte Verbindung erfordern.

Das Verhältnis von Gatelänge zu Tiefe ist wichtig, da dies eine Reihe von Leistungsparametern bestimmt. Typischerweise wird es bei ungefähr vier gehalten, da es einen Kompromiss zwischen parasitären Reaktionen, Geschwindigkeit und Kurzkanaleffekten gibt.

Die Source- und Drain-Bereiche werden durch Ionenimplantation gebildet. Die Drain-Kontakte für GaAs-MESFETs sind normalerweise AuGe - eine Gold-Germanium-Legierung.

Es gibt zwei Hauptstrukturen, die für MESFETs verwendet werden:

MESFET-Betrieb

Wie andere Formen von Feldeffekttransistoren hat der GaAs-Fet oder MESFET zwei Formen, die verwendet werden können:

  • Verbesserungsmodus MESFET: In einem MESFET im Anreicherungsmodus ist der Verarmungsbereich breit genug, um den Kanal ohne angelegte Spannung abzuklemmen. Daher ist der Enhancement-Mode-MESFET natürlich "OFF". Wenn eine positive Spannung zwischen dem Gate und der Source angelegt wird, schrumpft der Verarmungsbereich und der Kanal wird leitend. Leider versetzt eine positive Gate-Source-Spannung die Schottky-Diode in Vorwärtsrichtung, wo ein großer Strom fließen kann.
  • Verarmungsmodus MESFET: Wenn sich der Verarmungsbereich nicht bis zum p-Substrat erstreckt, ist der MESFET ein Verarmungsmodus-MESFET. Ein Verarmungsmodus-MESFET ist leitend oder "EIN", wenn keine Gate-Source-Spannung angelegt wird, und wird beim Anlegen einer negativen Gate-Source-Spannung "AUS" geschaltet, wodurch die Breite des Verarmungsbereichs derart vergrößert wird es "kneift" den Kanal ab.

MESFET / GaAsFET-Eigenschaften

Der MESFET wird in vielen HF-Verstärkeranwendungen verwendet. Es wird in vielen HF- und Mikrowellenanwendungen eingesetzt, wo seine Eigenschaften ihm einen Vorteil gegenüber anderen Technologien verschaffen.

Einige der Hauptmerkmale sind:

  • Hohe Elektronenmobilität: Die Verwendung von Galliumarsenid oder anderen Hochleistungshalbleitermaterialien sorgt für ein hohes Maß an Elektronenmobilität, das für Hochleistungs-HF-Anwendungen erforderlich ist. Die MESFET-Halbleitertechnologie hat es Verstärkern ermöglicht, diese Geräte zu verwenden, die bis zu 50 GHz und mehr und einige bis zu Frequenzen von 100 GHz arbeiten können.
  • Niedrige Kapazitätsniveaus: Die Schottky-Dioden-Gate-Struktur führt zu sehr niedrigen Streukapazitätspegeln, die sich für eine hervorragende HF- und Mikrowellenleistung eignen.
  • Hohe Eingangsimpedanz: Der MESFET hat aufgrund des nichtleitenden Diodenübergangs im Vergleich zu Bipolartransistoren einen sehr viel höheren Eingang.
  • Negativer Temperaturkoeffizient: Der MESFET / GaAs-FET hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, der einige der thermischen Probleme hemmt, die bei anderen Transistoren auftreten.
  • Mangel an Oxidfallen: Im Vergleich zu dem üblicheren Silizium-MOSFET weist der GaAs-FET oder MESFET nicht die Probleme auf, die mit Oxidfallen verbunden sind.
  • Hohe Geometriesteuerung: Der MESFET hat eine bessere Kanallängensteuerung als ein JFET. Der Grund dafür ist, dass der JFET einen Diffusionsprozess benötigt, um das Gate zu erzeugen, und dieser Prozess ist alles andere als gut definiert. Die genaueren Geometrien des GaAS-FET / MESFET liefern ein viel besseres und wiederholbareres Produkt, und dies ermöglicht die Berücksichtigung sehr kleiner Geometrien, die für HF-Mikrowellenfrequenzen geeignet sind.

In vielerlei Hinsicht ist die GaAs-Technologie weniger gut entwickelt als Silizium. Die enormen laufenden Investitionen in die Siliziumtechnologie bedeuten, dass die Siliziumtechnologie viel billiger ist. Die GaAs-Technologie kann jedoch von vielen Entwicklungen profitieren und ist bei Herstellungsprozessen für integrierte Schaltkreise einfach zu verwenden.

GaAs FET / MESFET im Einsatz

Der GaAs-FET / MESFET wird häufig als HF-Verstärkervorrichtung verwendet. Die kleinen Geoemtries und andere Aspekte des Geräts machen es ideal für diese Anwendung.

Die Schaltungen verwendeten normalerweise Versorgungsspannungen in der Größenordnung von etwa 10 Volt. Bei der Auslegung der Vorspannungsanordnungen ist jedoch große Vorsicht geboten, da ein Stromfluss im Gate-Übergang den GaAS-FET zerstört.

Ähnlich vorsichtig ist beim Umgang mit den Geräten, da diese sehr empfindlich gegen statische Aufladung sind. Selbst statische Spannungen unter 100 Volt können die Verbindungsstelle zerstören.

Darüber hinaus muss das Gerät bei Verwendung als an eine Antenne angeschlossener HF-Verstärker vor statischer Aufladung bei Gewittern geschützt werden.

Wenn diese Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden, arbeitet der GaAs-FET oder MESFET außerordentlich gut und bietet eine Hochfrequenzleistung in Kombination mit geringem Rauschen und einem hohen Wirkungsgrad.


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